是什麼驅動生成了地球上豐富的元素和數不清的物種呢？自上世紀30年代以來，人類對元素起源和恆星複雜演化過程的認知取得了顯著進展，但迄今仍存在許多亟待破解的科學難題。
中國錦屏地下實驗室模型圖（原子能院供圖）
近日，由中國原子能科學研究院（以下簡稱原子能院）牽頭的，我國首個深地核天體物理實驗項目——錦屏深地核天體物理實驗發布首批4個核天體物理關鍵反應實驗研究，系列研究取得核天體物理領域的原創性成果，為理解宇宙元素起源和恆星演化提供重要數據，使我國的深地核天體物理研究躋身國際先進行列。
深地之“光”
該項目首席科學家、中國原子能科學研究院研究員柳衛平說，了解遙遠星球諸多奧秘的一個好辦法，是利用加速器創建一個迷你的宇宙，來研究複雜的天體現象。
科學家們利用這一辦法，我們知道了宇宙中豐富多彩的星球和元素，是經歷了138億年的漫長演化形成的。還了解了在恆星演化早期產生了比鋰更輕的元素，中期產生了比鐵更輕的元素，晚期產生了今天自然界的鐵以上的重元素。
不過，其中還有諸多未解之迷。比如從碳到氧的反應決定了宇宙中的碳氧含量比，被譽為“聖杯反應”，如何確定該反應速率至今令人困惑。
原因在於，在天體環境下，兩個原子核碰撞的速度非常低，這就使得從一個元素轉化成另外一個元素的概率非常低。
“如果我們用常規方法在地面去探測這個概率，就好比在一個萬人歡呼的廣場聽兩個人的竊竊私語，根本聽不見。這麼一個微小反應產生的信號會被大量宇宙射線的噪音所淹沒。”柳衛平解釋。
十多年前，為了建造雅礱江流域水電站，水利學家在四川雅礱江邊的錦屏山2400米深處修建了一條隧道。物理學家們發現，這是一個絕佳的深地實驗環境。因為2400米的岩石就像一個暗室，能夠牢牢的把宇宙射線的噪聲給擋住。
在國家的支持下，這裡建成了目前世界上最深的地下實驗室。
為更好開展核天體物理關鍵反應直接測量研究，中國原子能科學研究院聯合中科院近物所、北京師範大學等國內外優勢力量，在中國錦屏地下實驗室完成深地加速器安裝運行。項目加速器平台的深地建設得到了中國錦屏地下實驗室、雅礱江流域水電開發有限公司、清華大學和上海交通大學的全力支持。
步入國際先列
核天體物理是核物理與天體物理融合形成的交叉學科，主要研究宇宙中化學元素的起源以及各種核過程如何控制恆星的演化及命運。
而基於深地實驗室的天體核反應測量能夠提供最基礎和精確的實驗數據。柳衛平帶領團隊在錦屏深地2400米下，建成了研究核天體物理的實驗平台。經過歷時將近6年的攻關，他們研發出了世界流強最高的深地加速器。
2020年12月26日，強流加速器在中國錦屏地下實驗室成功出束，成為世界上最強流深地加速器。
“有了最強的加速器，相當於有了一道最亮的光線，這樣就足以使得那麼微小的反應都能看得到。”柳衛平說。
科學家們在錦屏地下實驗室開展了4個核天體物理關鍵反應實驗，分別是：25Mg（p，γ）26Al反應取得國際最高精度數據；19F（p，αγ）16O反應拓展到國際最低能量；13C（α，n）16O反應首次完整覆蓋天體物理i-過程能區；12C（α， γ）16O反應測量實現國際最高靈敏度，向摘取“聖杯”跨出重要一步。
錦屏深地核天體物理實驗項目集成了我國極地深地本底環境和強流低能量加速器先進技術，科學家們自主研製高分辨高效率伽馬探測器，攻克了強流穩定運行、毫安級核反應靶穩定性和超低本底環境建立的難題，取得了若干國際核天體反應最精確的數據，為解決國際多年的天體物理疑難問題作出了貢獻。
以上工作，使我們國家具備了開展深地核天體物理反應直接測量的最“安靜”的環境、最強的亮度、最高的探測效率，找到了破解宇宙密碼的鑰匙。
“在深地實驗室開展稀有核反應事件的直接精確測量是國際公認的核天體物理前沿課題，目前國內外競爭異常激烈。錦屏深地實驗室岩層對宇宙線的屏蔽效果比國際上唯一的意大利地下核天體實驗室還要好大約100倍。”柳衛平自豪地說。
前路無止境
地下2400米的錦屏實驗室，猶如探索宇宙星空的“發現之門”。
驅車在地底幾千米之下，穿過十幾公里的時光隧道，來到在大山深處不知疲倦運行着的儀器旁邊，伴隨着原子核信號放大后發出的微微閃光，去聆聽宇宙跳動的脈搏。
美國核天體物理聯合會前主席邁克爾·威徹通過現場連線對JUNA成果進行點評，對首批實驗成功給予充分肯定。
表示，這是核天體物理研究取得的重要成果，這將推動中國錦屏地下實驗室成為面向世界開放的國家級基礎研究平台，希望充分利用這一平台，在核天體物理的重要問題上作出更多更重要成果。
“我們將會利用深地和國內外最有利的條件，繼續了解元素合成的密碼，知曉重元素合成的路徑，探索宇宙發出的燭光；我們還會彙集這些線索，利用超級計算機去模擬宇宙中能量產生和元素合成，探索宇宙重元素產生等一系列關鍵科學問題。”柳衛平說。