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中國的全球頂尖核天體物理加速器來了,我們向暗物質進軍

想要成為頂級物理和空間大國,必須得有頂尖的科學手段和技術儀器,其中,對於深空宇宙的探測而言,頂級加速器是必須的工具。

核心天體物理就是 探索 這壹奇妙過程及其內在規律的學科,它主要運用核物理知識和規律闡釋宇宙中各種化學元素及其同位素合成的過程、時間、物理環境及豐度分布,以及核過程對恒星結構及演化進程的影響。

因為恒星經歷著形成、演化、死亡的緩慢過程。這些星體發光發熱的能量來自其內部發生的熱核聚變反應,這不斷發生的核過程為自然界所有化學元素提供了賴以生成的土壤。

在深地實驗室開展核反應的直接精確測量是國際公認的核天體物理前沿課題。在國家自然科學基金重大項目、中核集團集中研發項目和中科院儀器研制項目的支持下,該加速器項目旨在依托錦屏山地下實驗室,向核天體物理研究領域最關鍵的“聖杯”反應發起沖擊,為理解大質量恒星的演化和元素起源提供新的數據。

國際上首次在深地實驗室開展慢中子俘獲過程關鍵中子源反應的直接測量,為研究宇宙重元素的產生提供可靠的中子源反應數據;同時,為理解銀河系星際空間中大量鋁-26的起源做出貢獻,取得核天體物理領域的原創性研究成果,使我國的核天體物理研究躋身國際先進行列。

開展關鍵天體物理核反應的精確測量是核天體物理未來發展的重要方向,該加速器將為開展天體物理核反應精確測量提供新的頂級平臺。

我國的加速器出束後將吸引更多國內外壹流的科研團隊利用該設施開展物理實驗,有望在相關領域做出世界級的研究成果。同時項目形成的高壓加速器技術,可應用於離子註入、核材料輻照篩選、材料改性、中子產生等多領域,對中核集團核技術應用產業及國內相關行業的發展起到積極的促進作用。

由中核集團原子能院和中科院近物所自主研制的世界上束流強度最高深地實驗設施——錦屏深地核天體物理加速器成功出束,束流強度達到2mA,綜合性能達到國際同類裝置先進水平。

深地實驗設備要求極其高。就拿發生聖杯反應的關鍵部件C12靶來說,自然環境下,C12的含量達到99%,但是這樣的純度並不能滿足實驗的要求。但是實驗要求必須達到99.999%以上,10萬個C12不能超過壹個C13,精度很高。

這是我國核天體物理研究取得的重大突破,標誌著我國完全掌握強流高壓加速器制造技術,並將進壹步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臺。

中國錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室,垂直巖石覆蓋達2400米,可以將宇宙線通量降到地面水平的千萬分之壹至億分之壹。

同時,洞內巖體本身的天然放射性也極低。這些為暗物質探測、核天體物理、中微子實驗等重大基礎性前沿課題研究提供了得天獨厚的良好環境。

2014年,我國啟動錦屏實驗室二期擴建工程,實驗室空間從4000立方米躍至30萬立方米。依托中科院近代物理所,成功研制緊湊永磁結構的先進ECR離子源,束流強度可以達到10毫安。

中國探測能力是目前全球最先進的意大利地下實驗室的10倍;原子能院與北京師範大學合作成功研制BGO探測器陣列,探測效率達到70%,分辨率達到國際同類裝置最優水平。

與此同時,原子能院成功研制短間隙加速管,實現強流束高效率傳輸,並且束流能量的穩定性達到萬分之三,處於世界先進水平。原子能院研制的大功率靶,靶上功率達到4kW/cm2,完全滿足強流束實驗要求。

當前,國家已經立項基於中國錦屏地下實驗室建設“十三五”國家重大 科技 基礎設施,實驗室建成後,將成為國際上最大的地下實驗室,能夠容納更多的深地科學領域實驗項目同時開展。

與此同時,我國的原子能院成功研制短間隙加速管,實現強流束高效率傳輸,並且束流能量的穩定性達到萬分之三,處於世界先進水平。原子能院研制的大功率靶,靶上功率達到4kW/cm2,完全滿足強流束實驗要求。

核天體物理是基礎科學研究的前沿領域之壹。我國物理學長程發展規劃中將核天體物理列為重要發展領域,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。

“我們從哪裏來,到哪裏去?”這壹哲學命題,核天體物理學家則把求解之道寄托在核反應12C(α,γ)16O之上。1983年諾貝爾物理獎獲得者威廉福勒曾表示:人體中絕大部分元素是C和O。

在化學和生物的層面上,我們已經基本上理解了它們。可是在核心物理的層面上, 我們還並不理解這些C和O是怎麽產生的。因此,該反應被譽為核天體物理界的“聖杯”,也被稱為生命起源的種子。

與此同時,我們的暗物質粒子探測衛星已經發生升空,它是中國科學院空間科學戰略性先導 科技 專項中首批立項研制的4顆科學實驗衛星之壹,也是世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星;我們科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”,它是暗物質粒子探測衛星的頂級裝備。

中國在加速器領域突破和成功,標誌著中國在暗物質探測和宇宙星空的征途上,助力全人類新 科技 的進步又向前邁出了壹大步。