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12 年前，中国首个极深地下实验室——锦屏地下实验室（China JinPing underground Laboratory，CJPL），在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用。其覆盖岩层厚达 2400 多米，位居世界之首，故有“世界最深地下实验室”之称。多年来，Science 曾多次报道 CJPL 的建设和发展。 图 | 中国锦屏地下实验室内景（来源：Science） 在锦屏 II 期工程里，这里新建了 8 个实验洞，以用于开展多学科深地科学研究。其中，A1 实验洞用于核天体物理研究。 几年前，由中国原子能科学研究院（下称“原子能院”）牵头，联合中国科学院近代物理研究所（下称“中科院近物所”）、北京师范大学、清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司等单位，在 CJPL 的 A1 洞内建成了锦屏深地核天体物理实验装置（Jinping Underground Nuclear Astrophysics experimental facility，JUNA），并于 2020 年底成功出束。 基于此，研究人员在实验中阐释了第一代恒星钙元素的核合成机制，对于理解第一代恒星的演化具有重要意义，相关论文已于近期发表在 Nature[1]。 评审专家们认为，该实验取得了巨大的成功，毫无疑问应该发表在 Nature 上。并表示该成果关系到多个研究方向，为未来的核天体物理研究提供了新方向，将引起核天体物理领域的广泛关注。 研究我们头顶的星空 要想理解这一成果，得从我们从哪里来、要到何处去谈起。在德国哲学家康德的墓碑上，刻着这样一句话：“有两种东西我们愈经常愈反复思想时，它们就给人灌注了时时更新、有加无已的惊赞和敬畏之情 : 头上的星空和内心的道德律。” 可以说，头上的星空是哲学家和科学家都在探索的问题。中学物理告诉我们，物质是由原子或者分子构成的，原子由原子核和电子构成，而原子核由质子和中子构成。 根据原子内质子数的不同，可以把原子分为不同的元素，比如氢元素的原子内部只有一个质子，氧元素内部有 8 个质子。 目前已知的元素有 118 种，把它们按照化学性质排列出来，便是我们熟知的元素周期表。这些元素就构成了我们周围的世界，包括恒星（比如太阳）、行星（地球）、山川河流、房屋建筑、以及花草树木、飞禽走兽等各种生物。 那么，自然会有这样一个问题，这些化学元素是怎么来的？是一直就有的？还是从什么哪个时候开始有的？为什么有的元素多、有的元素少？它们的含量会随着时间变化吗？ 研究我们头顶的星空，可以在一定程度上回答这个问题。目前人们认为，宇宙产生自大约 137 亿年之前的大爆炸，大爆炸后的大概半个小时内，主要合成了氢和氦，以及少量的锂元素。 这些原始的初轻元素组成了第一代恒星，恒星内部温度非常高，可达一亿摄氏度。如此高的温度下，原子核之间会发生剧烈碰撞，引发各种核反应，从而生成新的原子核。 比如，两个氢原子核反应可生成一个氘原子核，再经过一系列反应最终生成氦，氦又可以进一步反应生成碳。这些反应一直进行下去，伴随着第一代恒星的整个生命周期，直到最后形成一个铁核芯。 而此时的恒星在经历几百万年的演化之后，也走到了生命的尽头，它会通过超新星爆发，将其合成的重元素（一般是比氦更重的元素）、以及没有参与核反应的氢、氦等轻元素抛散到宇宙空间，这些“抛散物”被称为星际物质。 在万有引力的作用下，这些星际物质会再次聚合，重新形成第二代恒星，并通过核反应合成更多的重元素。就这样，从宇宙大爆炸到现在的一百多亿年里，一代又一代的恒星不断产生和消亡，合成了我们今天看到的所有重元素。 比如，太阳系（当然也包括地球）的前身，就是一个跨度达几光年的星云，其由多次超新星爆发所形成。 有时我们会问，人死后会去哪里？会变成天上的星星么？这个问题不太好回答，它取决于我们太阳系的演化命运，但是有些星星死后“变成”了我们。正如美国天文学家卡尔·萨根（Carl Edward Sagan）所说，我们都来自于星际尘埃。 （来源：Nature） 发现位于 225keV 的新共振 核天体物理学最重要的任务，就是研究上述重元素的核合成过程，主要方法之一就是测量关键核反应的截面，由此计算最终合成的元素含量，也就是元素丰度。此次北师大联合原子能院、美国圣母大学等团队，所研究的正是第一代恒星中的核反应。 这也是目前核天体物理的研究热点，美国和欧洲耗资 100 多亿美元发射的韦布望远镜的目标之一，在于直接观测第一代恒星的光谱，以研究其化学成分和演化机制。 如前所述，第一代恒星内部主要是氢和氦，还有少量的碳、氮、氧等元素。此时的恒星主要通过氢燃烧产生能量：氢依次与碳、氮、氧等元素反应，最终变成氦。 而碳、氮、氧等元素的含量基本保持不变，只是起到催化剂的作用，故被称作碳氮氧循环。 同时，会有非常少量的碳、氮、氧等元素通过与氢的多次反应，产生少量的钙元素。 2013 年，澳大利亚国立天文台发现了一颗迄今为止最古老的恒星 SM 0313。研究表明，这颗恒星是第一代恒星通过超新星爆发死亡后、所生成的星云重新聚合形成的。 SM 0313 里的所有重元素，都是第一代恒星在其生命周期内合成的。同时，SM 0313 形成后其内部也会进行核合成，但主要是由氢合成氦，几乎不合成重元素。 后来，人们在 SM 0313 中发现了钙元素，证明第一代恒星中确实存在着上述通过碳氮氧循环合成钙元素的过程。 但是，理论计算出的钙元素丰度，却比观测值低 10-100 倍。由此，人们怀疑可能是合成钙元素过程中的关键反应 19F(p,gamma)20Ne 的截面数据、或者反应率有误，导致钙元素丰度计算值偏小。 然而，这一反应的截面极低，导致地面实验室的宇宙射线本底对其干扰非常大，以至于无法在天体物理感兴趣能区测量。 （来源：Nature） 据介绍，相比意大利格兰萨索的地下 LUNA 实验室（Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics），中国的 JUNA 的宇宙射线通量，比前者低了大约 100 倍，这为极低截面核天体反应直接测量提供了绝佳的环境。 基于 JUNA 的低本底环境，在锦屏深地实验室里，合作团队使用质子束流轰击高稳定性 19F 靶，通过测量 g 射线产额，得到了关键天体反应 19F(p,gamma)20Ne 的反应截面。 相较于之前的工作，此次实验的本底更低、流强更强，让其可以向更低能区推进，从而发现了一个位于 225keV 的新共振。 该共振的存在带来了如下好处：它能将 19F(p,gamma)20Ne 反应在 0.1GK 处的反应率提高 7.4 倍。 接着，研究人员利用天体反应网络模型，重新计算了第一代恒星通过氢燃烧产生的钙元素丰度，结果发现新的 19F(p,gamma)20Ne 反应率，可以重现 SM 0313 的观测数据，从而解释了第一代恒星中钙元素的来源之谜。 另外，本工作还对第一代恒星超新星爆发的模型进行了限制，结果发现其强烈支持弱爆发模型，并排除了其他可能性。 近日，相关论文以《对 19F(p,gamma)20Ne 反应的测量表明第一代恒星中存在着碳氮氧循环的突破》（Measurement of 19F(p,gamma)20Ne reaction suggests CNO breakout in first stars）为题发表在 Nature 上。 图 | 相关论文（来源：Nature） 北师大核科学与技术学院张立勇副教授是第一作者，何建军教授是第一通讯作者，美国圣母大学核科学实验室迈克尔·维舍尔（Michael Wiescher）教授和南方科技大学物理系教授柳卫平为共同通讯作者。 图 | 从左至右：何建军、张立勇、迈克尔·维舍尔、柳卫平（来源：资料图） 仅有两个月实验期，全体人员 24 小时轮流待命 据介绍，此次课题从 2014 年开始申请、2015 年立项、到 2022 年完成实验并顺利结题，累计历时近 8 年。 锦屏地下实验室地处四川大凉山深处，实验准备、设备调试等工作非常不便。因此，研究团队需要在地面实验室将加速器调式到最佳状态，所有的实验也要在地面完成测试。 为此，他们耗时 2 年在原子能院的地面实验室进行测试，终于摸清了各种实验参数，研究了导致加速器打火的原因，完成了靶成分、稳定性测试，以及优化了探测器屏蔽方案和 Geant4 模拟。 （来源：Nature） 当时，根据锦屏地下实验室的施工安排，仅 2021 年初的两个月时间，可以留给 JUNA 项目研究人员做实验。 短短两个月内，他们要完成实验室水电、通风等基础设施的安装，以及加速器、探测器的安装调试等大量工作。 为此，原子能院、北师大、中科院近物所等单位的研究人员，把锦屏实验作为首要任务，尽一切努力保障实验的顺利进行。 锦屏地下实验室的交通较为不便，一旦设备发生故障，维修将会非常耗时。所以，对于几乎所有设备比如电源、真空泵、控制系统等，他们都进行了备份，保证一用一备。 全体人员 24 小时轮流待命，其中北师大何建军教授团队派出课题组所有研究生参与加速器值班，保证加速器连续、顺利的运行。 另外，由于是在锦屏地下实验室二期工程的施工间隙进行的实验，在水电、交通、通风等保障工作上，还需要跟锦屏施工方、锦屏水电站、清华大学（锦屏建设方之一）等单位频繁沟通。 在大家的共同努力下，实验于 2021 年 1 月 16 日正式开始。然而，虽然进行了大量的前期准备，正式实验开始后还是出现不少故障：加速器打火导致控制系统失灵、靶冷却水泄露、高压电源损坏，真空管道加工尺寸不匹配、真空系统漏气等。 可以说，能出问题的地方大大小小都出过问题，好在事先都有所准备，最终及时排除了故障。 说到这里，张立勇表示：“有一天凌晨 1 点多，加速器打火严重，导致高压加不上去。这一般都是高压场笼积灰导致的，于是所有人员包括老师、学生十几个人连夜对整个高压平台进行擦洗。大家任劳任怨、齐心协力终于使加速器恢复到了正常状态。” 实验结束后，大家开始进行数据分析。为了早出成果，张立勇几乎放弃了所有节假日，在一个月内就完成了数据分析。 之后，开始与国外理论家合作进行天体网络模型计算工作，最终写成论文，并被 Nature 接收。 概括来说，基于锦屏地下实验室的低本底环境，让此次实验在低能区发现了一个 19F(p,gamma)20Ne 反应的新共振，使得其反应率增大 7.4 倍，从而可以重现第一代恒星的钙元素观测丰度。 但是，由于该共振在 Gamow 窗口以外，其对反应率的影响仍然需要借助 R 矩阵理论计算。 下一步，研究人员计划利用 3-4 周的束流时间，在 Gamow 窗口内对其进行直接测量，彻底消除外推误差，从而提供更加精确的数据，进而明确第一代恒星中钙元素的产生机制。 另据悉，锦屏深地核天体物理团队还将对太阳中微子、星际伽马射线天文学等相关的重要核反应进行直接测量，力争使中国核天体物理在若干方面占据国际领先地位。 参考资料： 1.Zhang, L., He, J., deBoer, R.J. et al. Measurement of 19F(p, γ)20Ne reaction suggests CNO breakout in first stars. Nature 610, 656–660 (2022). https:///10.1038/s41586-022-05230-x
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