为摘取“圣杯”，他们在四川发现“降噪耳塞”

“我们从哪里来，到哪里去？”这一哲学问题贯穿人类发展的始终。自20世纪人类探索的能力达到原子核级别之后，核天体物理学家就把“生命起源”的求解之道寄托在核反应12C(α,γ)16O之上，即从核天体物理的层面上，探索组成人体绝大部分的C和O是如何产生的。由于该反应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，被誉为核天体物理界的“圣杯”。

“圣杯”反应速率直接影响恒星的演化进程，但对其直接测量却十分困难，世界核天体物理界经过半个多世纪的努力，至今也远未达到理论模型要求的精度。为获取精确的实验数据，原子能院牵头的 JUNA 项目，联合了国内外优秀的研究群体和科学家共同参与。“无论采用直接还是间接的方式，核天体物理界都做了大量测量，但数据误差范围远离‘圣杯’”。实现国际最低能区的直接测量，这将对理解大质量恒星演化和宇宙元素起源有重要意义。”中国原子能科学研究院研究员、锦屏深地核天体物理实验项目首席科学家柳卫平说。

由于“圣杯”反应极其微弱，且因为被大气层阻挡，所剩寥寥的宇宙射线也严重干扰核天体物理学家对它的测量，如同刺耳的噪音掩盖了真实的宇宙声音。因此，能够屏蔽宇宙射线的实验场所成为核天体物理学家们摘取“圣杯”的必要条件。意大利科研团队长期在核天体物理领域占据领先地位，而他们在摘取“圣杯”之路上的优势，就是位于地下1400 米的格兰萨索地下实验室。

通过不懈寻觅，柳卫平团队在四川省凉山州的锦屏山发现了完美的“降噪耳塞”。而位于锦屏山的大山深处的中国锦屏地下实验室，是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2400米，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。

2016年3月1日，锦屏深地核天体物理实验室的现场建设在中国锦屏地下实验室正式启动。这是国际上首次在深地实验室开展慢中子俘获过程关键中子源反应的直接测量，将为研究宇宙重元素的产生提供可靠的中子源反应数据；同时为理解银河系星际空间中大量铝-26的起源做出贡献。

白手起家，研制深地实验设备

虽然锦屏地下实验室得天独厚的外部条件是“天赐良机”，但想要开启实验又谈何容易。12C(α,γ)16O 之所以被称为“圣杯”反应，在于其难度之高，一般科研人员只能望而却步。日本曾专门为一位科学家提供一台加速器独享研究“圣杯”反应，时至今日也未能实现突破。而柳卫平团队可以说是白手起家，连最基本实验设备都没有。

与之形成对比的是，深地实验设备要求极其高。例如发生“圣杯”反应的关键部件碳-12靶，在自然环境下，碳-12 的含量达到 99%，但是这样的纯度并不能满足实验的要求。实验要求必须达到 99.999%以上，10万个碳-12里不能有一个碳-13，精度很高。锦屏深地核天体物理实验项目副总指挥郭冰曾感慨：“这个实验实在太难了，我们团队之前根本不敢碰，决定做是需要十足勇气的。申请项目之时，团队虽然在加速器、探测器、大功率靶、离子源方面具备一定的能力和经验，但都局限在地面，且深地经验几乎为零。现在我们面临着实验设备都需要重新研制的挑战。”

设备器材研制是向“圣杯”冲锋的重要关卡。依托中科院近代物理所，项目团队历经重重困难，终于成功研制紧凑永磁结构的先进ECR离子源，束流强度可以达到10毫安，这是意大利地下实验室的10倍；原子能院与北京师范大学合作成功研制 BGO 探测器阵列，探测效率达到 70%，分辨率达到国际同类装置最优水平。与此同时，原子能院成功研制短间隙加速管，实现强流束高效率传输，并且束流能量的稳定性达到万分之三，处于世界先进水平。原子能院研制的大功率靶，靶上功率达到 4 千瓦/平方厘米，完全满足强流束实验要求。

集聚最优质的资源，再加上所有人的共同助力，开展实验研究的关键设备终于研制成功，这为项目团队摘取“圣杯”奠定了良好的基础。从项目立项到设备研制、开展地面实验，团队按照计划不断向前推进。

发布首批成果，研究步入国际先进

2020年9月底至2021年3月初，在获准到锦屏地下实验室开展实验研究后，团队要在这5个月之内完成设备安装与调试，并留出充足的时间给科研团队做实验。时间太短，加速器等设备都是精密仪器，安装调试原本都是按年来计算。短短的5个月时间，别说做实验，实现设备出束都是巨大的挑战。

在如同一间巨大的毛坯房般的地下实验室，实验团队紧锣密鼓，与时间赛跑着。团队成员多次往返北京与西昌，将所有设备从位于北京的原子能院拆装到四川锦屏地下实验室。功夫不负有心人，通过百日大会战，在提前计划节点5天之日，设备的安装与调试终于完成。

2020年12月26日，随着屏幕上一道亮光刺破黑色，锦屏深地核天体物理加速器成功出束，束流强度达到2mA，综合性能达到国际同类装置先进水平。“这就是叩响‘圣杯’的第一缕光！”锦屏深地实验室传来令人振奋的欢呼。这是我国核天体物理研究取得的重大突破，标志着我国完全掌握强流高压加速器制造技术，关键设备和核心技术实现自主可控。“开展关键天体物理核反应的精确测量是核天体物理未来发展的重要方向，该加速器也将为开展天体物理核反应精确测量提供新的顶级平台。”柳卫平介绍道。

加速器成功出束后，团队利用其开展了多项实验，基于深地实验室的天体核反应测量，为核天体物理领域提供了最基础和精确的实验数据。2021年12月18日，锦屏深地核天体物理实验首批成果发布，包含 4 个核天体物理关键反应实验研究，其测量灵敏度和统计精度均高于国际同类装置水平，达到国际核天体物理直接测量的最大曝光量、最宽能量范围和最高灵敏度。这标志着我国核天体物理实验研究步入国际先进行列，我国成为世界上第三个具备开展深地核天体物理研究的国家。

“叩响‘圣杯’并非易事，一切充满未知，但我们要做的就是尽可能把事情做到极致。”如今，锦屏项目团队的发力，直接刺激了国际科学团队加大了对“圣杯”反应的探索。中国人对于科学高峰的攀登，对浩瀚宇宙的努力向往，在未来不会停止。