柳卫平：追寻“圣杯”的深山观星人
百科
2024-11-18 10:49
北京
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时如飞矢，距离2024年底只剩两个月了。身在北京的柳卫平却恨不得时钟跑得更快些，直接“飞到”两个月后，他就可以置身在四川锦屏的大山里。柳卫平是中国原子能科学研究院（以下简称原子能院）研究员、南方科技大学教授，也是中国锦屏深地核天体物理实验项目（JUNA）首席科学家。等待JUNA平台的系统升级已有两年多，他渴望回到锦屏山2400多米的地下实验室继续观星，探寻天体元素合成的更多密码。“我们伽马射线的探测器阵列、加速器主体前端的离子源等都已更新，还研发了全新的气体靶，可以进行轰击气体原子核的实验。”近日谈起实验的前景，柳卫平在接受《中国科学报》采访时，眼里闪烁着期待与兴奋的光。
9月初，四川成都。在一个灯火通明的会议厅里，穿着一身深空蓝休闲西服的柳卫平作为第十七届物质起源与星系演化国际研讨会主持人，自信地向来自全球的学者分享中国深地核天体物理实验的进展。少年时期，柳卫平最大的梦想是成为一名飞机设计师。命运却把他送上了另一条道路。1979年，柳卫平以优异的成绩被北京大学技术物理系录取，踏上了核物理研究的道路。出于对自然科学的兴趣，柳卫平很快就爱上了这门学科。至今，他仍记得那时每晚都会和同学抢座位上自习的情景。大学毕业后，柳卫平师从黄胜年（1991年当选为中国科学院院士）在原子能院攻读硕士学位，后来又到日本理化所深造。作为日本理化所加速器中心首个外籍的课题组负责人，年轻的柳卫平曾和日本团队一起在新建成的回旋加速器上成功建立起不稳定核束流分离装置，并首次找到了当时国际上两个最重的丰质子新核素存在的证据。20世纪八九十年代，国际上核天体物理研究方兴未艾。1989年，柳卫平回到原子能院，决定瞄准这个前沿领域“大干一场”。28岁的他与56岁的前辈白希祥结成了“老少”搭档，着手开展核天体物理研究需要的低能不稳定束流装置的建设工作。结合在日本的工作经验，他们把已经退役的我国第一台回旋加速器上的磁铁组装起来，在1993年建成了低能不稳定束流装置并成功出束，使我国核天体物理研究进入了新赛道。伴随着装置产生的铍-7束流，两人开始聚焦新的国际前沿——太阳中微子研究。彼时，国际科学界发现，理论计算的中微子数目总是远远超过中微子探测器测到的数目。“丢失”的中微子去哪儿了？“我们希望利用这个装置产生的铍-7不稳定束流，测量产生太阳中微子的概率。”柳卫平回忆说。当第一次实验完成时，信号数据看上去非常好，大家都很高兴。但进入后期数据处理阶段，他们才发现，这样得出来的概率显然太大了，比实际的可能性高了10倍。经过反复验证，他们确认取得的数据里掺杂了许多脉冲堆积带来的噪声，之后又花了将近一年时间尝试了很多新技术，才终于排除了噪声，测出了准确的实验数据。经过后期理论计算，柳卫平和白希祥带领团队终于破解了这个谜题：太阳中微子失踪现象来源于非核物理截面因素。相关研究1996年发表于《物理评论快报》，这是该刊创立40年来首次发表我国实验核物理文章，也是国际上首次测量不稳定原子核反应的角度分布。
柳卫平（左二）、白希祥（左一）等在讨论低能不稳定束流装置的实验
随着研究的深入，柳卫平把目光投向核天体物理的“圣杯”——12C(α,γ)16O反应。“圣杯”反应是世界核天体物理学家心中的“珠穆朗玛峰”。它决定了宇宙中碳和氧的丰度比，进而影响恒星的演化和元素合成，甚至生命起源。然而对其直接测量十分困难，世界核天体物理界经过半个多世纪的努力，至今远未达到理论模型要求的精度。由于恒星中的“圣杯”反应极其微弱，而穿透大气层的宇宙射线噪声却十分强，在地面测量，无疑是大海捞针。要想准确测量“圣杯”反应的信号，就必须找到能够屏蔽宇宙射线的实验场所，阻挡宇宙射线噪声的严重干扰。柳卫平和团队经过10多年的寻觅，找到了理想的实验场所——四川锦屏的大山。这里最大岩层厚度可达2400多米，宇宙射线通量可以降到地面水平的数亿分之一。
2016年起，柳卫平带领JUNA团队走进大山深处，在最深的地底仰望星空。面对设备器材研制的关卡，他带领原子能院项目团队联合中国科学院近代物理研究所科研团队，研制出紧凑永磁结构的先进ECR离子源和高通量的高压加速器，束流强度可以达到10毫安，是意大利格兰萨索地下实验室的10倍；他们与北京师范大学科研团队合作，研制出BGO伽马探测器阵列，探测效率达到70%，达到国际同类装置最优水平；此外他们还研制出大功率核反应靶，靶上曝光量达到数百库仑，超出国际最好水平10倍以上，满足了强流束实验要求。2020年，在原本空空如也的锦屏地下实验室核天体物理平台，一个模拟天体演化环境下核反应的“迷你小宇宙”诞生了，并一点点长大。2020年12月26日，一道亮光点燃荧光屏，锦屏深地核天体物理加速器成功出束。
随后，JUNA团队产出的科研成果接踵而至，受到国际瞩目。2021年12月，团队发表首批4项核天体物理关键反应实验研究，测量灵敏度和统计精度均高于国际同类装置水平。2022年10月，团队在《自然》发表成果，首次揭示宇宙最古老恒星钙丰度之谜。诺贝尔物理学奖获得者约翰·马瑟也发来祝贺函。回忆起这段经历，JUNA团队很多成员都记忆犹新。当时的锦屏地下实验室就像一个“装修中的毛坯房”，通道昏暗，有的地方伸手不见五指，还有许多沟沟坎坎和地下水的水坑，不但通行十分不便，空气环境也不好。由于设备功率大，在热胀冷缩的影响下，水管发生爆裂，整个加速器被水淋透，大家心都凉了。但事实证明团队制造的设备是可靠的，积水清扫干净后，设备正常启动运行了。在此过程中，作为首席科学家的柳卫平发挥了“定盘星”的作用。
“他是一个纯粹的科学家。”这是柳卫平的同事和学生们一致的看法。在原子能院核物理研究所副所长郭刚看来，柳卫平有着身为一名科学家最重要的战略视野和甘为人梯的优良品格。任何电子元器件进入太空后都逃不过空间电离辐射的影响，而针对这一问题的抗辐射加固研究，是航空航天事业发展的重中之重。2000年，时任原子能院核物理研究所所长的柳卫平意识到，随着我国航空航天事业的发展，辐射效应相关研究将成为未来重要的研究领域。他将分散在核物理研究所各研究室的人才会聚起来，通过公开竞聘的方式选出课题组带头人。郭刚就是当选的带头人之一，他博士毕业时，还在为研究方向而纠结，柳卫平成了他科研道路上的引路人。“作为我国抗辐照研究领域的推动者，柳老师给我们提供了很多战略上的思路，也让我找到了为之奋斗的研究方向。”郭刚说。如今，他带领的研究小组已发展成为国家级抗辐照应用技术创新中心。柳卫平的“纯粹”，还包括主动承担“困难但有意义”的事。大约10年前，中国工程院院士、时任中国核学会理事长的李冠兴找到柳卫平，希望他牵头组织编撰一本核科技名词的词典。核科学技术是一门基础科学与技术科学交叉的综合性尖端学科，涉及学科数量多且复杂，这件事的难度可想而知。当时担任原子能院副院长的柳卫平工作十分繁忙，但他意识到这件事的重要性，十分支持。他邀请了数十位院士专家，完成了上万条名词的内容编写。2024年3月，他们历经9年反复打磨完成的《核科学技术名词》出版，其内容包括21个学科领域7000余条中英文释义，成为我国核科学技术的科研、教学、生产、经营及新闻出版中的名词规范，受到国内核科技界专家的广泛好评。随着锦屏深地实验室核天体物理平台在10月底升级改造刚刚完成，柳卫平和团队正在紧张地对设备进行最后的调试并开展实验条件准备工作。他们期待明年年初带着全新升级换代的设备，回到深山地下继续仰望星空。“我们的‘圣杯’反应已经取得了最接近伽莫夫窗口和最高灵敏度的好成绩，下一步我们力争在‘圣杯’反应的研究上取得更重要的突破。”柳卫平说。推荐阅读
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