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        1. 扣響“圣杯”!寫在錦屏核天體物理加速器出束并啟動實驗之際

            

          發布時間:2020-12-28 信息來源:默認部門

            

            “我們從哪里來,到哪里去?”

            對于這一終極拷問的哲學命題,核天體物理學家則把求解之道寄托在核反應12C(α,γ)16O之上。

            1983年諾貝爾物理獎獲得者威廉?福勒曾表示:人體中絕大部分元素是C和O。在化學和生物的層面上,我們已經基本上理解了它們。可是在核天體物理的層面上, 我們還并不理解這些C和O是怎么產生的。因此,該反應被譽為核天體物理界的“圣杯”,也被稱為生命起源的種子。

            “圣杯”反應速率直接影響恒星的演化進程,但對其直接測量卻十分困難,世界核天體物理界經過半個多世紀的努力,至今也遠未達到理論模型要求的精度。以中國原子能科學研究院串列實驗室主任柳衛平為首席科學家的錦屏深地核天體物理實驗項目科研團隊,經過近6年的精心籌備,將向核天體物理研究的制高點發起沖鋒。12月26日,錦屏核天體物理加速器出束并啟動物理實驗,他們將開展關鍵天體核反應的直接精確測量這一國際公認的核天體物理前沿課題研究,將極有可能扣響“圣杯”,在科學研究的最前沿插上中國的旗幟。

            “無論采用直接還是間接的方式,核天體物理界都做了大量測量,但數據誤差范圍遠離圣杯反應精確值。我們此次實驗將盡全力摘取圣杯,實現國際最低能區的直接測量。這將對理解大質量恒星演化和宇宙元素起源有重要意義。”柳衛平說。

            壹

            圣杯反應是皇冠上的明珠,中國人不能錯過摘取它的機會

            

            可以說,“圣杯”反應是世界核天體物理學家心中的珠穆朗瑪峰,都夢想成功登頂。柳衛平也是,自1989年以來已經探索了30多年。

            毋庸置疑,直接測量“圣杯”反應獲取的數據誤差最小,但該反應極其微弱,即便被大氣層阻擋所剩寥寥的宇宙射線也嚴重干擾核天體物理學家對它的測量。獲取精準的實驗數據,能夠屏蔽宇宙射線的實驗場所成為核天體物理學家們摘取“圣杯”的必要條件。

            之所以世界核天體物理領域很長一段時間以來被意大利科研團隊占據領先地位,其中非常重要的原因就是他們擁有位于地下1400米的格蘭薩索地下實驗室。

           

            柳衛平曾聯系過該實驗室,希望過去學習取經,但對方要求研究成果不能署名等等。即使如此,希望一探深地核天體物理研究究竟的柳衛平認為只要能學到知識也答應了,但后來此事依然不了了之。

            可是,柳衛平探尋宇宙奧秘的這絲星火從未熄滅摘,取“圣杯”意志從未消失。為了尋求理想的實驗場所,他曾帶領科研團隊踏遍北京周邊的煤礦。在艱難尋覓之中,得知清華大學依托雅礱江水電開發有限公司修建的交通隧道建設地下實驗室,柳衛平喜出望外,表示“這可是天賜良機。”

            巖層,是宇宙射線的天然屏蔽層。交通隧道從錦屏山底部穿過。實驗室所在之處,最大巖層厚度可達2400多米,宇宙射線通量可以降到地面水平的億分之一。而且,實驗室周圍巖石的放射性水平也很低。

            “不可否認,中國錦屏地下實驗室是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室。”柳衛平立即聯系清華大學,希望開展借用實驗室開展核天體物理研究,獲得了應允。后來,柳衛平帶領團隊申請國家基金委重大項目順利通過評審。專家們認為,中國錦屏地下實驗室的核天體物理關鍵科學問題研究對于突破元素合成這一世紀性難題無疑具有重要意義。

            12C(α,γ)16O之所以被稱為“圣杯”反應,另外還有一層意思還在于其難度之高,一般科研人員只能望而卻步。日本曾專門為一位科學家提供一臺加速器獨享研究“圣杯”反應,時至今日也未能實現突破。況且,當時的柳衛平團隊可以說“一窮二白”,連最基本家伙什都沒有,談何容易?

            殊不知,深地實驗設備要求極其高。就拿發生圣杯反應的關鍵部件C12靶來說,自然環境下,C12的含量達到99%,但是這樣的純度并不能滿足實驗的要求。但是實驗要求必須達到99.999%以上,10萬個C12不能超過一個C13,精度很高。

            “這個實驗實在太難了,我們團隊之前根本不敢碰,決定做是需要十足勇氣的。”錦屏深地核天體物理實驗項目副總指揮郭冰說,“申請項目之時,團隊雖然在加速器、探測器、大功率靶、離子源方面具備一定的能力和經驗,但都局限在地面,且深地經驗幾乎為零。雖然擁有錦屏得天獨厚的外部條件,但我們還要面臨更大的挑戰是,實驗設備都需要重新研制。”

            “但我們有信心,也有決心。”柳衛平說,“做科研就好比登山。我們已經開展了大量的工作,已經積累了相當厚實的經驗,取得了一系列成果。‘圣杯’反應雖然核天體物理學家的皇冠上的明珠,我們當然不能錯過摘取它的機會。”

            貳

            錦屏深地實驗室是傾聽宇宙聲音最安靜的場所

           

            30年來,在柳衛平的帶領下,團隊鉆研的課題難度越來越大,但信心卻越來越足。這次劍指“圣杯”雖然被外界認為是“不可能完成的任務”,但不服輸的柳衛平隨即立下軍令狀,“我們能實現”。

            誓言好立兌現難。設備器材研制成為了柳衛平等人登頂前不可逾越的第一座山峰。

            整個項目用時五年。而按照慣例,研制一套地面上設備就可能需要五年時間,更別談開展實驗研究。對于深地設備,可以說,挑戰更大。但項目團隊如何敢承諾在有限的時間內完成研制與實驗呢?

            在郭冰眼里,柳衛平最讓他敬佩的一點就是他對事業的執著。對于錦屏深地核天體物理實驗項目而言,意大利格蘭薩索地下實驗室無疑是競爭對手,誰搶先摘取圣杯反應誰將會名留史冊,照理說應該避之不及。但是柳衛平專門邀請該實驗室專家作為項目國際咨詢委員會專家。

            “我就是希望利用他們深厚的深地實驗經驗為我們挑刺,就好像立了標桿在那,這樣反而能夠促進我們進取。”柳衛平說,“形象地說,圣杯反應是定海神針,捕捉它,就好比大海撈針,顯然靠團隊幾個人肯定是難以實現的。”

            

            柳衛平認為,錦屏深地實驗室是傾聽宇宙聲音最安靜的場所。項目團隊必須要利用好大自然的饋贈物盡其用。而且還必須要集聚世界上最優質的資源,練就獨門絕技,共同克之,才有可能摘取“圣杯”反應。

            如今已近花甲之年的柳衛平,談起圣杯反應、錦屏深地實驗項目來激情依然不減當年。也正是因為這股探索科學前沿問題的沖勁兒,感染著大量科學家,紛紛支撐項目開展研究。

            依托中科院近代物理所,成功研制緊湊永磁結構的先進ECR離子源,束流強度可以達到10毫安。這是意大利地下實驗室的10倍;原子能院與北京師范大學合作成功研制BGO探測器陣列,探測效率達到70%,分辨率達到國際同類裝置最優水平。

            與此同時,原子能院成功研制短間隙加速管,實現強流束高效率傳輸,并且束流能量的穩定性達到萬分之三,處于世界先進水平。原子能院研制的大功率靶,靶上功率達到4kW/cm2,完全滿足強流束實驗要求。

            正是由于大家的助力,開展實驗研究的關鍵設備均已經完成研制。這為項目團隊摘取圣杯奠定了良好的基礎。

            叁

            這就是扣響圣杯的第一縷光

            12月26日,屏幕上一道亮光刺破黑色。

            “這就是扣響圣杯的第一縷光。”柳衛平激動地說道。隨后,響亮的掌聲在錦屏深地實驗室回響震蕩。未來不到三個月的時間里,科研團隊將在這里開展實驗。柳衛平說:“我要感謝我們的團隊,他們的確是一支能打硬仗的隊伍。”

            從項目立項到設備研制、開展地面實驗,他們已經按照計劃推進。可以說,扣響圣杯,萬事俱備只欠東風,就好比登頂珠峰需要等待適宜的天氣一樣,項目團隊終于獲準在2020年9月底至2021年3月初到錦屏地下實驗室開展實驗研究。

            而此刻的錦屏地下實驗室,就是一間空間巨大的毛坯房。在這里空曠的地下空間,項目團隊必須要在極短的時間內完成設備安裝與調試,必須要留出充足的時間給科研團隊做實驗。因此,他們不得不與時間賽跑。

            從北京到西昌大涼山,相隔2000多公里,不僅要搭乘3個多小時的航班,還要盤旋近3個小時的盤山路。項目團隊要將設備從北京房山中國原子能科學研究院拆裝到的四川西昌錦屏地下實驗室,哪怕一顆螺絲釘都需要從北京運抵過來,不容許有任何散失,任何一個備品備件都會影響計劃進度。再加上新冠肺炎疫情的影響,任務艱巨可想而知。

            為此,項目團隊成員多次往返北京與西昌之間。堅守在實驗室的成員,也常常奮戰到凌晨兩點才回到營地,第二天天不亮又奔赴現場開展戰斗。功夫不負有心人,通過百天大會戰,在提前計劃節點5天的日子,他們完成了設備的安裝與調試。

           

            “科學研究就是要啃硬骨頭,敢于向極限挑戰。”柳衛平強調說道。

            對于是否利用這個寶貴的窗口期開展實驗,團隊爭議其實很大。否定的聲音認為不可能,因為時間太短,加速器等設備都是精密儀器,安裝調試都是用年來計算。短短的五個月時間,別說做實驗,實現設備出束就是巨大的挑戰。

            在充分聽取團隊意見后,柳衛平說道:“這件事必須要做,值得冒險。”

            毫不夸張地說,他們已經被“逼上梁山”。按照計劃,項目需要在2021年結題,如果不能順利實現,將會極大地影響團隊的信譽。

            當然,團隊口碑并不是最重要的。科學發現向來只有第一,沒有第二。柳衛平項目團隊的發力,直接刺激了國際科學團隊加大了對圣杯反應的探索。因此,機會和時間愈發寶貴。之于敢拍板,還在于柳衛平綜合多年的研究和對團隊能力的判斷,認為他們能行。

            項目團隊在極短的時間內具備時間條件,可以說已經創造的奇跡。但柳衛平清晰認識到,“扣響圣杯并非易事,一切充滿未知,但我們要做的就是盡可能把事情做到極致。”(盛安陵)

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