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锦屏核天体物理实验室:在大地深处仰望星空
[日期:2016年4月12日   出处:中国科学报 2016-4-12      阅读:615 次]

■本报记者 陆琦

 

“到深深的地下去观察天上的星星。”这听上去似乎风马牛不相及。不过,中国原子能科学研究院副院长柳卫平正带领他的团队干这么一件事——在数千米的地下建核天体物理实验室,探究宇宙中的元素起源和恒星演化。

最“干净”的深地实验室

“从地面开车二十几分钟,就能到达锦屏深地核天体物理实验室。”原子能院新闻中心工作人员还记得前不久第一次“入地”的感觉,“那里四季恒温,冬暖夏凉。与地面实验室不同的是,没有窗户,进去久了让人搞不清是白天还是黑夜。”

日前启动建设的锦屏深地核天体物理实验室(JUNA)是中国锦屏地下实验室(CJPL)的二期项目,由国家自然科学基金重大项目、中科院仪器项目和中核集团龙腾项目共同支持。

柳卫平告诉《中国科学报》记者,锦屏地下实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道,二期在其侧面开挖了8个50米长、12米宽、12米高的实验洞,其中一个实验洞就是核天体物理实验室。

这是目前世界上最深的地下实验室,也是最“干净”的地下实验室。

“世界上最难挡住的就是宇宙射线,要打造一个最理想的实验环境,就要尽量降低宇宙射线造成的干扰。”柳卫平介绍说,锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖达2400米,居世界之首,可以将宇宙线通量降到地面水平的千万分之一至亿分之一,而且洞内岩层主要为大理岩,岩石本身放射性本底极低。这些为暗物质探测、核天体物理、中微子实验等重大基础性前沿课题研究提供了得天独厚的环境。

同时,锦屏地下实验室建有道路可以到达实验室内部。“与国外一些‘脱胎’于矿井的地下实验室相比更为便利,不必坐着电梯上上下下,乘坐汽车就能‘入地’。”柳卫平补充说。

向“圣杯”反应发起冲击

“2014年11月28日,美国《科学》杂志报道了我们提出的锦屏深地核天体物理实验计划,并给予高度评价。”说起JUNA,柳卫平一下子兴奋起来。

“我们将向核天体物理研究领域最关键的‘圣杯’反应发起冲击。”柳卫平说,该反应将会影响到碳氧丰度比这个核天体物理基本问题,为理解大质量恒星的演化和元素起源提供新的数据。

1939年,美国科学家贝特提出恒星的能源来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应。贝特帮助天文学家们弄清了恒星能源问题,但他没有回答恒星在氢燃烧之后如何演化以及氢和氦以外的化学元素如何生成的问题。

“那么多年,科学家们没有停止过研究,但由于面临一系列的条件限制和技术挑战,至今没有太大进展。”柳卫平说。

锦屏地下实验室提供了国际顶级的极低本底环境,但在柳卫平看来这还不够。“不同于暗物质和中微子探测,我们的信号是由加速器产生的,既要把反应信号尽可能多地记录下来,又要把不需要的信号尽可能地挡住。这就对加速器的稳定性和可靠性、能量的精确性、束流的品质等提出了很高的要求。”

由于进行了充分准备,JUNA项目开局第一年就超额完成了年度计划:离子源和加速器设计完成,长周期部件开始加工;共用探测器设计模拟完成,高纯锗探测器订货;现场本底测量基本完成;四个关键核反应建立了完整的模拟程序;完成了JUNA实验室的平面设计、土建方案和加速器屏蔽方案……

“把一流的深地条件与一流的研究团队结合,有望取得一流的研究成果。”在锦屏,柳卫平和他的团队找到了梦寐以求的“舞台”。

吸引世界科学家聚集

原子能院、中科院近物所、清华大学、上海交大和四川大学,JUNA项目不仅积聚了国内最优秀的研究群体和顶尖科学家参与,还吸引了来自美国、澳大利亚、日本等国的国际顶尖科学家加盟。

“以前的国际合作多是我们到外国去,参与国外的科研项目。现在国外的科学家要到我们这里来,参与由我们主导的研究工作。”原子能院研究员郭冰感慨道。

作为世界上条件最好的深地实验室,世界科学家的目光开始向锦屏聚集。

近日,美国核天体物理联合中心的学术带头人威彻在该中心网站上发文指出:中国发展了一个在深地测量核天体物理的计划,美国非常可怜的经费支持使得这几年在该领域进展非常缓慢,但是现在这个想法在中国实现了。

他甚至还表示,如果在美国获得经费资助困难的话,会考虑跟中国合作,把他的团队带到锦屏来。

“欢迎国际同仁一起把锦屏实验室建设成为世界一流的核天体物理实验室。”中科院院士王乃彦相信,锦屏深地核天体物理实验室能够成为开展核天体物理研究的非常好的基地。

随着JUNA项目的不断推进,这样一幅场景越来越清晰:在静静的地下,科学家一边数着天体核反应跳动的脉搏,一边仰望繁星点点的夜空,宇宙奥秘的解开离我们也越来越近……

《中国科学报》 (2016-04-12 第1版 要闻)



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