图①：柳卫平院士（右二）和团队。
王 璇摄
图②：锦屏深地核天体物理加速器。
中国原子能科学研究院供图
锦屏深地核天体物理实验项目示意图。
“十五五”规划纲要提出，“围绕极宏观、极微观、极端条件、极综合交叉的科学前沿，加强新兴领域、交叉融合和跨学科基础研究。”
2021年，习近平总书记在两院院士大会、中国科协十大上提到：“战略高技术领域取得新跨越。在深海、深空、深地、深蓝等领域积极抢占科技制高点。”其中深地领域的重要成果——“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”，正是柳卫平院士作为首席科学家带领的锦屏深地核天体物理实验项目（JUNA）团队研发的。
核天体物理是什么？在深地的科学研究有着怎样的意义？本期“院士讲科普”邀请中国科学院院士、南方科技大学讲席教授、中国原子能科学研究院研究员柳卫平，带我们到地下2400米感受“宇宙之光”。
——编者
2020年12月，四川锦屏山下2400米深处，一个白色光斑发出耀眼的光芒——锦屏深地核天体物理加速器成功出束。这是一道可能揭示生命起源的“宇宙之光”。
我们究竟从何而来？从古至今，人类都在思考这个问题。经过近一个世纪的探索，科学家们终于勾勒出宇宙诞生的大概轮廓：约138亿年前，一个奇点的大爆炸开启了万物的演化之旅。然而，宇宙的演进仍有无数未解之谜：构成物质世界的上百种元素从何而来？这些元素与星辰之间又存在着怎样的联系？人类能否在地球上重现宇宙演化进程，破解这些终极奥秘？
让我们深入2400米的地下实验室，在极深处探索恒星演化，寻找生命起源的密码。
用极小的原子核去解释极大的宇宙
核天体物理，是一门用原子核物理解释星体能量产生与元素演化的学科。通俗而言，就是用极小的原子核，去解释极大的宇宙演化规律。
推动宇宙演化的巨大能量，也正源自微观世界中的核反应。核反应与燃烧煤炭的化学反应看似相近，实则不同：化学反应中，分子结构改变；核反应中，则是原子核的转变。这一微小差异，却带来百万倍的能量放大——足以驱动星体的演化。
以太阳为例。为什么太阳能持续发光发热？太阳内部无数次的聚变反应，如同无数氢弹持续爆炸带来光和热。然而，恒星在氢燃烧之后的演化路径，以及氢、氦之外元素的生成机制，仍困扰研究人员多年。
对于科学家而言，要拼凑出恒星演化的完整图景，必须像“侦探破案”般，还原恒星内部的原子核反应和衰变过程。然而，即便是距离我们最近的恒星——太阳，要精确观测其内部核反应也困难重重，要测量它的核反应规律更是一大挑战。
那么，能否在地球上制造一个“迷你宇宙”，去还原天体环境中的核物理过程，从而破解恒星诞生和演化之谜呢？
科学家经过长期探索，终于找到了工具——加速器。
加速器利用静电将带电粒子加速至接近光速，模拟恒星内部的核反应条件。以锦屏加速器为例：离子源犹如一个高温炉，将需要的粒子“蒸发”出来，在40万伏特高压驱动下，粒子被加速至接近光速，经由电磁铁“拐弯”，在反应靶的地方轰击原子核，就可以测量到每次核反应产生的概率，进而推演天体中元素的合成速率。
凭借这一工具，科学家已取得诸多重要成果。宇宙大爆炸后约30分钟内，氢、氦、锂3种元素率先诞生；经过约4亿年漫长、平稳的核燃烧，碳、氮、氧一直到铁等元素相继生成，最终构成地球、太阳乃至整个宇宙的物质基础。
为什么要到地下2400米做实验
恒星，好比产生化学元素的“炼丹炉”。演化过程中，在引力的作用下，恒星不断向内部坍缩，点燃中心核反应，整个过程像剥洋葱一样，轻一些的原子核反应结束后向内坍缩，开启下一阶段的聚变反应。这个过程中诞生了位于元素周期表中铁之前的元素，其中就包括构成生命的最基本的元素——碳和氧。
科学家并不知道从碳到氧的核反应过程究竟有多快。这一反应过程，被称为核天体物理的“圣杯”反应。即便拥有加速器这一利器，在地表探寻“圣杯”反应仍存在巨大困难。
为什么要到深地去做实验？太阳处于漫长而平稳的核燃烧中期，原子核相对速度极低，核反应概率微乎其微。在地表测量这一微弱信号，犹如在数万人的嘈杂体育场中倾听两人的窃窃私语。微弱的核反应信号会被几百万倍、几千万倍宇宙射线的庞大噪声所淹没。这也正是“圣杯”反应70多年来未被精确测量的根本原因。
那么，如何找到一处宇宙射线通量极低的环境？
为了建造雅砻江流域的水电站，水利学家在四川雅砻江边的锦屏山2400米深处修建了一条隧道。这一深度，恰是屏蔽宇宙射线的天然屏障。于是，在国家支持下，科学家在引水隧道旁开辟出30万立方米的巨大空间，建成锦屏深地实验室，既为暗物质探测提供环境，也为测量极低概率的“圣杯”反应创造了理想条件。
在国家自然科学基金委、中国科学院和中核集团支持下，JUNA团队历经7年攻关，于2017年研制出世界流强最高的深地核天体物理加速器，其亮度比意大利格兰萨索深地实验室加速器的还要亮10倍。同时，团队还研制出深地最精密、效率最高的探测器。至此，极亮加速器、极净环境、极高效探测3块拼图齐备，探索“圣杯”反应的时机终于成熟。
丰硕成果点亮“深地之光”
2020年12月26日，一缕光照亮实验荧光屏，中国核天体物理的“深地之光”点亮。此后4个月，团队取得多项核天体物理反应的世界纪录，标志着中国核天体物理实验研究跻身世界先进行列。通过这些实验，科学家揭示了诸多奥秘：如果利用伽马射线来看宇宙，人类能看多远？天文观测中的氟和钙元素，为什么比理论预言的多？产生重元素的中子有多少？相关成果已发表于《物理评论快报》《自然》等国际学术期刊，被评为亮点成果，后续研究将陆续发表。JUNA团队探测“圣杯”反应的测量灵敏度较国际相关团队研究，也提升数十倍。
2025年，依托新建成的锦屏大设施，团队启动第二批核天体物理实验，这些实验将为解决太阳的金属性疑难和锂丰度缺失问题，提供关键线索。JUNA团队探测“圣杯”反应的步伐，也在进一步加快。
未来，还有无尽奥秘等待揭示。依托锦屏深地核天体物理实验平台，科研人员将继续测量更多核反应速率，研制更大加速器，探索铁之后重元素的合成路径。同时，这些数据也将应用于中国核动力装置研发，助力科学家“走”到太阳系边界，探索更深远的宇宙奥秘。
在宇宙的深处总有奇妙的现象，等待着我们去发现和解释。科学家要仰望星空，永葆好奇之心，探寻未知之谜。同时，也需要脚踏实地，用决心、勇气和毅力，用先进的科学仪器，去找到打开科学奥秘的钥匙，为人类的知识宝库贡献力量。
（作者为中国科学院院士、南方科技大学讲席教授、中国原子能科学研究院研究员，人民日报记者吕绍刚采访整理）
（原标题：到地下两千四百米感受“宇宙之光”（院士讲科普））
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