深入地下2400米追寻宇宙之光

“十五五”规划纲要明确提出，要“聚焦极宏观、极微观、极端条件、极综合交叉等科学前沿，强化新兴领域、交叉融合与跨学科基础研究”。

2021年，习近平总书记在两院院士大会和中国科协十大上指出：“战略高技术领域实现新跨越。在深海、深空、深地、深蓝等方向积极抢占科技制高点。”其中，深地领域的一项代表性成果——“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”，正是由柳卫平院士担任首席科学家、带领锦屏深地核天体物理实验项目（JUNA）团队完成研发的。

什么是核天体物理？在地下深处开展科研究竟有何价值？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，带大家走进地下2400米，感受那束“宇宙之光”。

图①：柳卫平院士（右二）与团队成员。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。中国原子能科学研究院供图

2020年12月，在四川锦屏山地下2400米处，一道白色光束绽放出耀眼光芒——锦屏深地核天体物理加速器成功出束。这束光，或许正是帮助人类追索生命起源的“宇宙之光”。

人类从哪里来？这一问题自古以来不断被追问。经过近百年的研究，科学家大致描绘出宇宙诞生的轮廓：大约138亿年前，一次奇点大爆炸拉开了万物演化的序幕。不过，宇宙如何一步步发展，至今仍有大量谜团等待破解：构成物质世界的一百多种元素是怎样形成的？它们与恒星之间有何内在联系？我们是否能够在地球上重现宇宙演化的一部分过程，进而揭开这些终极问题？

现在，就让我们走进地下2400米的实验室，在极深之处研究恒星演化，探寻生命起源的密码。

以微小原子核阐释浩瀚宇宙

核天体物理，是利用原子核物理来解释星体能量来源与元素演化规律的一门学科。简单来说，就是借助极其微小的原子核，去认识极其宏大的宇宙演化。

推动宇宙不断演进的庞大能量，其源头恰恰来自微观世界中的核反应。核反应与煤炭燃烧这类化学反应表面上有些相似，但本质并不相同：化学反应改变的是分子结构，核反应变化的则是原子核本身。看似细微的区别，却会带来百万倍量级的能量差异，足以支撑星体的形成与演化。

拿太阳来说，它为何能够持续不断地发光发热？原因就在于太阳内部时刻进行着大量聚变反应，仿佛无数枚氢弹在不断释放光和热。然而，恒星在完成氢燃烧之后会如何继续演化，以及氢、氦之外的元素究竟怎样生成，依然长期困扰着研究人员。

对科学家而言，若想拼接出恒星演化的完整图景，就必须像侦探办案一样，尽可能还原恒星内部发生的原子核反应与衰变过程。可是，即便面对离地球最近的恒星太阳，要直接精确观测其内部核反应已经非常困难，更不用说进一步测定其核反应规律。

那么，能不能在地球上搭建一个“微型宇宙”，模拟天体中的核物理过程，从而揭开恒星诞生与演化的秘密？

经过长期探索，科学家终于找到了关键工具——加速器。

加速器借助静电场把带电粒子加速到接近光速，以模拟恒星内部可能出现的核反应条件。以锦屏加速器为例：离子源像一座高温炉，把所需粒子“蒸发”出来；在40万伏高压作用下，粒子被加速到接近光速，再通过电磁铁改变轨迹，最终在反应靶处撞击原子核。借助这些过程，科学家能够测出每种核反应发生的概率，并进一步推算天体中元素合成的速率。

依靠这一科研工具，科学家已经取得了许多重要认识。宇宙大爆炸发生后大约30分钟内，最先形成的是氢、氦和锂三种元素；随后经过约4亿年漫长而稳定的核燃烧过程，碳、氮、氧直到铁等元素陆续产生，最终构成了地球、太阳乃至整个宇宙的物质基础。

为何实验要深入地下2400米

恒星就像制造化学元素的“熔炉”。在演化过程中，恒星会在引力作用下不断向内收缩，点燃核心区域的核反应。这个过程有些像剥洋葱：较轻元素对应的核反应结束后，恒星进一步向内坍缩，再进入下一阶段的聚变反应。正是在这一过程中，元素周期表中铁以前的大多数元素陆续诞生，其中就包括构成生命最基本的碳和氧。

然而，科学家至今并不清楚从碳到氧这一核反应究竟进行得有多快。由于其重要性，这一过程被称作核天体物理领域的“圣杯”反应。即使拥有加速器这样的关键装置，在地表寻找这一“圣杯”反应仍然面临巨大难题。

那为什么非要到深地开展实验？太阳如今处在漫长而稳定的核燃烧中期，原子核之间的相对速度很低，因此核反应发生的概率极小。在地面上测量如此微弱的信号，就像置身数万人的嘈杂体育馆中去分辨两个人的低声耳语。核反应产生的微弱信号，往往会被高出几百万倍、几千万倍的宇宙射线噪声彻底淹没。这正是70多年来“圣杯”反应始终难以被精确测量的根本原因。

那么，怎样才能找到一处宇宙射线极少的实验环境？

为了建设雅砻江流域水电站，水利工作者在四川雅砻江畔的锦屏山地下2400米处开凿出一条隧道。这样的深度，天然具备了极强的宇宙射线屏蔽能力。于是，在国家支持下，科学家依托引水隧道旁开辟出的30万立方米巨大空间，建成了锦屏深地实验室。这里不仅为暗物质探测提供了优越条件，也为测量极低概率的“圣杯”反应创造了理想环境。

在国家自然科学基金委、中国科学院和中核集团支持下，JUNA团队经过7年攻关，于2017年建成了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同类加速器高出10倍。同时，团队还自主研制出深地环境下精度最高、效率最优的探测器。至此，超高亮度加速器、超洁净实验环境和超高效探测系统三项关键条件全部具备，探索“圣杯”反应的时机终于到来。

丰硕成果照亮“深地之光”

2020年12月26日，一束光点亮了实验荧光屏，也点亮了中国核天体物理的“深地之光”。此后短短4个月内，团队在多项核天体物理反应研究中刷新世界纪录，标志着我国核天体物理实验研究迈入国际先进行列。通过这些实验，科学家揭示了许多关键问题：若借助伽马射线观察宇宙，人类究竟能看多远？为什么天文观测到的氟和钙元素丰度高于理论预测？形成重元素所需的中子究竟有多少？相关研究成果已发表于《物理评论快报》《自然》等国际学术期刊，并被评为亮点成果，后续成果也将陆续发表。与国际相关团队相比，JUNA团队对“圣杯”反应的测量灵敏度提升了数十倍。

2025年，依托新建成的锦屏大科学装置，团队启动了第二批核天体物理实验。这些实验有望为破解太阳金属性难题以及锂丰度缺失问题提供关键线索，而JUNA团队对“圣杯”反应的探测也正在持续提速。

面向未来，仍有大量奥秘等待揭晓。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，研制更大规模的加速器，并探索铁之后重元素的合成机制。同时，这些研究数据也将服务于我国核动力装置研发，帮助科学家“走”向太阳系边缘，探寻更加深远的宇宙秘密。

在浩瀚宇宙深处，总有无数奇妙现象等待人类去发现、去解释。科学家既要仰望星空，始终保持好奇，追问未知；也要脚踏实地，凭借决心、勇气、毅力以及先进科学仪器，找到开启科学奥秘之门的钥匙，为人类知识宝库不断增添新的财富。

（作者系中国科学院院士、南方科技大学讲席教授、中国原子能科学研究院研究员，记者吕绍刚采访整理）