在大地深處仰望星空
來源：中國科學(xué)報(bào) 2016-4-12 陸琦
“到深深的地下去觀察天上的星星。”這聽上去似乎風(fēng)馬牛不相及。不過，中國原子能科學(xué)研究院副院長柳衛(wèi)平正帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)干這么一件事——在數(shù)千米的地下建核天體物理實(shí)驗(yàn)室，探究宇宙中的元素起源和恒星演化。
最“干凈”的深地實(shí)驗(yàn)室
“從地面開車二十幾分鐘，就能到達(dá)錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室。”原子能院新聞中心工作人員還記得前不久第一次“入地”的感覺，“那里四季恒溫，冬暖夏涼。與地面實(shí)驗(yàn)室不同的是，沒有窗戶，進(jìn)去久了讓人搞不清是白天還是黑夜。”
日前啟動(dòng)建設(shè)的錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室（JUNA）是中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL）的二期項(xiàng)目，由國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中科院儀器項(xiàng)目和中核集團(tuán)龍騰項(xiàng)目共同支持。
柳衛(wèi)平告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室利用的是當(dāng)?shù)亟ㄋ娬緯r(shí)修的地下隧道，二期在其側(cè)面開挖了8個(gè)50米長、12米寬、12米高的實(shí)驗(yàn)洞，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)洞就是核天體物理實(shí)驗(yàn)室。
這是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，也是最“干凈”的地下實(shí)驗(yàn)室。
“世界上最難擋住的就是宇宙射線，要打造一個(gè)最理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，就要盡量降低宇宙射線造成的干擾。”柳衛(wèi)平介紹說，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，居世界之首，可以將宇宙線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一，而且洞內(nèi)巖層主要為大理巖，巖石本身放射性本底極低。這些為暗物質(zhì)探測(cè)、核天體物理、中微子實(shí)驗(yàn)等重大基礎(chǔ)性前沿課題研究提供了得天獨(dú)厚的環(huán)境。
同時(shí)，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建有道路可以到達(dá)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部。“與國外一些‘脫胎’于礦井的地下實(shí)驗(yàn)室相比更為便利，不必坐著電梯上上下下，乘坐汽車就能‘入地’。”柳衛(wèi)平補(bǔ)充說。
向“圣杯”反應(yīng)發(fā)起沖擊
“2014年11月28日，美國《科學(xué)》雜志報(bào)道了我們提出的錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，并給予高度評(píng)價(jià)。”說起JUNA，柳衛(wèi)平一下子興奮起來。
“我們將向核天體物理研究領(lǐng)域最關(guān)鍵的‘圣杯’反應(yīng)發(fā)起沖擊。”柳衛(wèi)平說，該反應(yīng)將會(huì)影響到碳氧豐度比這個(gè)核天體物理基本問題，為理解大質(zhì)量恒星的演化和元素起源提供新的數(shù)據(jù)。
1939年，美國科學(xué)家貝特提出恒星的能源來自它的內(nèi)部氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)。貝特幫助天文學(xué)家們弄清了恒星能源問題，但他沒有回答恒星在氫燃燒之后如何演化以及氫和氦以外的化學(xué)元素如何生成的問題。
“那么多年，科學(xué)家們沒有停止過研究，但由于面臨一系列的條件限制和技術(shù)挑戰(zhàn)，至今沒有太大進(jìn)展。”柳衛(wèi)平說。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室提供了國際頂級(jí)的極低本底環(huán)境，但在柳衛(wèi)平看來這還不夠。“不同于暗物質(zhì)和中微子探測(cè)，我們的信號(hào)是由加速器產(chǎn)生的，既要把反應(yīng)信號(hào)盡可能多地記錄下來，又要把不需要的信號(hào)盡可能地?fù)踝 ＿@就對(duì)加速器的穩(wěn)定性和可靠性、能量的精確性、束流的品質(zhì)等提出了很高的要求。”
由于進(jìn)行了充分準(zhǔn)備，JUNA項(xiàng)目開局第一年就超額完成了年度計(jì)劃：離子源和加速器設(shè)計(jì)完成，長周期部件開始加工；共用探測(cè)器設(shè)計(jì)模擬完成，高純鍺探測(cè)器訂貨；現(xiàn)場(chǎng)本底測(cè)量基本完成；四個(gè)關(guān)鍵核反應(yīng)建立了完整的模擬程序；完成了JUNA實(shí)驗(yàn)室的平面設(shè)計(jì)、土建方案和加速器屏蔽方案……
“把一流的深地條件與一流的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合，有望取得一流的研究成果。”在錦屏，柳衛(wèi)平和他的團(tuán)隊(duì)找到了夢(mèng)寐以求的“舞臺(tái)”。
吸引世界科學(xué)家聚集
原子能院、中科院近物所、清華大學(xué)、上海交大和四川大學(xué)，JUNA項(xiàng)目不僅積聚了國內(nèi)最優(yōu)秀的研究群體和頂尖科學(xué)家參與，還吸引了來自美國、澳大利亞、日本等國的國際頂尖科學(xué)家加盟。
“以前的國際合作多是我們到外國去，參與國外的科研項(xiàng)目。現(xiàn)在國外的科學(xué)家要到我們這里來，參與由我們主導(dǎo)的研究工作。”原子能院研究員郭冰感慨道。
作為世界上條件最好的深地實(shí)驗(yàn)室，世界科學(xué)家的目光開始向錦屏聚集。
近日，美國核天體物理聯(lián)合中心的學(xué)術(shù)帶頭人威徹在該中心網(wǎng)站上發(fā)文指出：中國發(fā)展了一個(gè)在深地測(cè)量核天體物理的計(jì)劃，美國非常可憐的經(jīng)費(fèi)支持使得這幾年在該領(lǐng)域進(jìn)展非常緩慢，但是現(xiàn)在這個(gè)想法在中國實(shí)現(xiàn)了。
他甚至還表示，如果在美國獲得經(jīng)費(fèi)資助困難的話，會(huì)考慮跟中國合作，把他的團(tuán)隊(duì)帶到錦屏來。
“歡迎國際同仁一起把錦屏實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為世界一流的核天體物理實(shí)驗(yàn)室。”中科院院士王乃彥相信，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室能夠成為開展核天體物理研究的非常好的基地。
隨著JUNA項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，這樣一幅場(chǎng)景越來越清晰：在靜靜的地下，科學(xué)家一邊數(shù)著天體核反應(yīng)跳動(dòng)的脈搏，一邊仰望繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空，宇宙奧秘的解開離我們也越來越近……
編輯：苑苑
