ビッグニュース！金平深部地球核天体物理実験が初の実験結果を発表、宇宙の深い謎を探る

「金平深部地下実験室に行けば、天体の進化のコードに最も近いこの素晴らしい旅を体験できます。地下2,400メートルの深さにある10キロメートル以上のトンネルを通り抜け、稼働中の計器の横で、増幅された核信号のかすかな閃光を伴い、宇宙の鼓動を聞くことができます。」 30年以上にわたり核天体物理学の分野を探求してきた中国原子能研究所（以下、IAE）研究員で、金平深層地下核天体物理学実験プロジェクトの主任科学者である劉衛平氏は、金平深層地下実験プロジェクトについて語るとき、依然として明るい目と情熱を持っている。 「午前1時に実験現場で勤務していたとき、初めて発見の扉がこんなにも近くにあると感じました。」

12月18日、わが国初の深核天体物理学実験プロジェクト「JUNA（金平深核天体物理学実験）」が最初の一連の実験結果を発表しました。

画像: 中国原子能研究所

公開された最初の4つの主要な核天体物理学反応実験の測定感度と統計精度は、同様の装置の国際レベルよりも高く、国際的な核天体物理学直接測定の最大露出、最も広いエネルギー範囲、最高の感度を達成しました。私の国は、地球深部の核天体物理学の研究を行うことができる世界で3番目の国になりました。

画像: 中国原子能研究所

核天体物理学の「聖杯」反応に焦点を当てる

1983年にノーベル物理学賞を受賞したウィリアム・ファウラーはかつてこう言いました。「人体の元素の大部分はCとOであり、それらは化学的、生物学的レベルでは基本的に理解されてきました。」しかし、核天体物理学のレベルでは、これらの C と O がどのように生成されるかはわかっていません。そのため、この反応は核天体物理学の「聖杯」として称賛されており、生命の起源の種としても知られています。それは恒星の進化、大質量星の最終的な運命、宇宙元素の豊富さ、さらには生命の起源にとって非常に重要です。

「聖杯」反応は、世界中の核天体物理学者の心の中ではエベレスト山ともみなされている。

しかし、「聖杯」を手に入れるのは困難を伴います。 「聖杯」反応を直接測定すると誤差が最小限のデータが得られますが、反応は極めて弱く、核天体物理学者が「聖杯」を手に入れるためには宇宙線を遮蔽できる実験場が必須条件となります。

宇宙の音を聞くのに最適な環境を作りましょう

劉衛平は「聖杯」を勝ち取るという夢を決して諦めなかった。

2008年、世界最大となる全長17.5キロメートルの金平水力発電所輸送トンネルが正式に開通し、劉衛平氏の注目を集めました。最も深い埋没深度を持つこのトンネルが魅力的な理由は、トンネル上部の2,400メートルの厚さの岩層が厚いカーテンのように宇宙線の光を遮り、星の核反応が地下で再び輝き始めるからだ。

2015年、中国初の深部天体物理学実験プロジェクトは、中国国家自然科学基金から多大な支援を受けた。

中国原子能研究所は、中国金平地下実験室、清華大学、亜龍江流域水力発電開発有限公司の支援を受け、中国科学院現代物理研究所、北京師範大学などの組織を結集し、亜龍江公司金平水力発電所に隣接する世界で最も深く静かな実験環境で核天体物理学を研究するための実験プラットフォームを設立する主導権を握りました。

金平地下実験室の内部

しかし、地球深部による宇宙線の遮蔽だけに頼るのは、決して十分ではありません。

「プロジェクトに応募した時点では、チームは加速器、検出器、高出力ターゲット、イオン源に関して一定の能力と経験を持っていたものの、それらはすべて地上に限られており、地球深部での経験はほとんどありませんでした。」金平地球深部核天体物理実験プロジェクトの副司令官で、原子力研究所核物理研究所所長の郭兵氏は、金平の実験設備を再開発する必要があると語った。

劉衛平氏の科学研究に対する情熱は、多くの研究者の参加を惹きつけました。

中国科学院現代物理研究所は、コンパクトな永久磁石構造を持ち、最大10mAのビーム強度を持つ先進的なECRイオン源の開発に成功しました。これは、LUNA（イタリアの深部天文実験プラットフォーム）の10倍に相当します。同時に、原子力研究所は短ギャップ加速管の開発に成功し、高効率の高ビーム伝送を実現し、ビームエネルギーの安定性は5/10,000以上になりました。原子能研究所と北京師範大学は、検出効率70%、解像度が国際的に同等の装置の中で最高レベルに達するBGO検出器アレイの開発に成功しました。原子力研究所が開発した高出力ターゲットは、ターゲット出力が4kW/cm2（キロワット/平方センチメートル）であり、高ビーム実験の要件を完全に満たしています。

この研究は、Jinping Deep Core Astrophysics Experiment の最初の実験結果です。関連記事は、科学速報2022年第2号の表紙記事として掲載されました。記事の主たる機関は中国原子能研究所で、北京師範大学、中国科学院現代物理研究所、深セン大学、山東大学などが協力機関となっています。第一著者はSu Jun教授であり、共同責任著者はLi Zhihong研究員とLiu Weiping研究員です。

乱暴な住宅から「奪い取った」イノベーション

2020年初頭、金平第2期実験室は基本的な稼働条件が整っており、プロジェクトチームは2020年9月末から2021年3月初旬まで、金平地下実験室で実験研究を行うことがようやく許可された。

現時点では、金平地下実験室は巨大な未完成の家です。

この貴重な期間を利用して実験を行うことはできるでしょうか?チームは深く分裂した。否定的な意見としては、時間が短すぎるという意見がある。加速器などの機器は精密機器であり、設置やデバッグには数年かかります。わずか5か月で、実験を行うどころか、装置のビーム放射を実現することさえも大きな課題でした。

チームの意見を十分に聞いた後、劉衛平氏は「これはやらなければならない。リスクを冒す価値はある」と語った。劉衛平氏の考えでは、科学的発見は常に第一であり、決して二番目ではありません。

非常に短い時間で設備の設置とデバッグを完了し、科学研究実験に十分な時間を残すために、プロジェクトメンバーは時間と競争し、北京と西昌の間を何度も往復しなければなりませんでした。北京から西昌大梁山までの距離は2,000キロメートル以上です。 3時間以上の飛行に加え、曲がりくねった山道を3時間近く走行します。プロジェクトチームは北京から四川省西昌の金平地下実験室まで機器の分解と組み立てを行った。

「ミスは許されない。ネジ1本でも、予備部品があれば計画の進行に影響が出る。新型コロナウイルス流行の影響もあって、想像通り大変な作業だ」と郭兵氏は語った。

研究室に残った隊員たちは、午前2時まで働いてからキャンプに戻り、翌日の夜明け前に戦闘現場に急行することが多かった。

努力は報われる。 100日間の懸命な努力の末、彼らは予定ノードより5日早く機器の設置とデバッグを完了しました。

2020年12月26日、JUNA高強度加速装置が金平実験室A1実験室の標的に向けてビームを発射した。明るい光がスクリーンの暗闇を突き抜け、それが「聖杯」を鳴らす最初の光線とみなされた。

その後、核天体物理学における 4 つの主要な反応の直接測定に成功し、驚くべき革新的な成果が達成されました。

JUNA プロジェクト チームにとって、最初の一連の実験で達成された革新的な結果は、チームが開発した最も強力な深層流地球物理加速器が、この分野で国際的に大きな影響力を持つ実験プラットフォームになったことを示しています。中国が国際的な核天体物理学の舞台の中心に立ち、「聖杯」反応に向けて確かな一歩を踏み出したのは今回が初めてだ。

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広大な宇宙では、星はゆっくりと形成、進化、そして死の過程を経ます。これらの星が輝き、熱を発生させるエネルギーは、星の内部で起こる熱核融合反応から生じます。この進行中の核プロセスは、自然界のすべての化学元素の形成の土壌を提供します。

核天体物理学は、この素晴らしいプロセスとその内部法則を研究する学問です。主に核物理学の知識と法則を用いて、宇宙におけるさまざまな化学元素とその同位体の合成の過程、時間、物理的環境、存在分布、および核プロセスが恒星の構造と進化に与える影響を説明します。

写真丨Tuchong Creative

核天体物理学は基礎科学研究の最先端分野の一つです。核天体物理学は我が国の物理学長期発展計画において重要な発展分野として挙げられており、地下深部実験室を拠点とした天体の核反応の測定は、最も基本的かつ正確な実験データを提供することができます。

中国の金平地下実験室は四川省涼山州金平山にあります。現在、世界で最も深い地下実験室であり、垂直の岩盤被覆は 2,400 メートルに及んでいます。中国原子能研究所は、核天体物理学の重要反応の直接測定研究をより良く行うため、中国科学院現代物理研究所、北京師範大学など国内外の勢力と協力し、中国の金平地下実験室における地球深部加速器の設置と稼働を主導した。 2020年12月26日、高強度加速器はビームの打ち上げに成功し、世界最強の高強度加速器となった。習近平総書記はこれを「戦略的ハイテク分野における新たな飛躍」の成果の一つとして称賛した。

金平地下実験室の内部

成果1：25Mg(p,γ)26Al反応は世界最高精度の測定を達成した

1980年代、天文学的観測により、天の川銀河の星間物質に太陽の質量の約3倍に相当する大量の26Alが存在することが発見されました。 26Alの寿命は100万年未満であり、初期段階で生成された26Alは完全に破壊されています。天の川銀河にこれほど多く存在する26Alの起源は、天体物理学の分野で注目の話題となっている。

25Mg(p,γ)26Al反応は、恒星内で26Alを生成するための重要な反応です。 25Mg(p,γ)26Alは26Alを生成するための重要な反応であり、26Alの起源を説明する上で非常に重要です。 JUNA実験では、反応の決定的な役割を果たす92keV共鳴を世界最高精度で測定し、その実験結果は世界トップクラスの物理学誌「サイエンス・ブレティン」の表紙記事として掲載されました。

成果2：19F(p,αγ)16Oは世界で最も正確な反応速度データを取得

19F(p,αγ)16OはAGB星の進化における重要な問題である。現在の天文学的観測により、AGB 星にはフッ素が過剰に存在することが判明しています。フッ素の豊富さは太陽系の何十倍、何百倍も高い。標準的な恒星モデルではこの現象を説明できません。 19F(p,αγ)16O反応の正確な測定は、フッ素過剰の問題を解決するのに役立ちます。 JUNAの実験では、測定範囲を初めて天体エネルギー領域まで拡大し、世界で最も正確な反応速度データを取得しました。実験研究の結果は、世界トップクラスの物理学雑誌「Physical Review Letters」に掲載され、編集者から推薦されました。

成果3：13C(α,n)16O反応が初めて天体物理学的i過程エネルギー領域を完全にカバー

13C(α,n)16O反応は重要な中性子源反応です。鉄よりも重い元素がどのように合成されるかは、核天体物理学において常に最も重要な問題でした。現在では、鉄より重い元素の約半分は、低速中性子捕獲過程（s過程）によって形成されることがわかっています。このプロセスにおける生の中性子は、13C(α,n)16O 反応によって供給されます。この反応を正確に測定することは、重元素の合成を理解するために重要です。 JUNA 実験によって測定されたエネルギー範囲は、初めて天体物理学の i 過程エネルギー領域を完全にカバーし、これまでの直接測定データとの 3 つの不一致を明らかにしました。

成果4：12C(α,γ)16O反応測定が世界最高感度を達成

12C(α, γ)16O 反応は、核天体物理学の実験において最も重要な反応であり、核天体物理学の「聖杯」として知られています。一方では、この反応の重要性によるものです。この反応は、宇宙における生命を構成する最も重要な2つの要素である炭素と酸素の比率を直接決定します。ウランまでのほぼすべての核種の存在量に重要な影響を及ぼします。そして、それは巨大な星の進化の最終的な運命を決定します。一方、反応機構が複雑であり、断面積が極めて小さいため、実験による測定は非常に困難です。このプロジェクトの実験測定は、天体物理学的エネルギー領域に近い世界最低エネルギーに到達し、反応測定において最高の感度を達成し、「聖杯」獲得に向けた重要な一歩を踏み出した。

我が国の金平深部地下実験室には独特の遮蔽条件があります。岩石の厚さはイタリアよりも1,000メートル厚く、宇宙線の強度は2桁小さい。中国国家自然科学基金、中国核工業集団、中国科学院の支援を受けて、わが国の深部核天体物理学チームは、最大10mAの電流強度を持つ加速装置の開発に成功しました。幾何学的効率が90%を超えるBGOガンマ検出器アレイも構築されており、冷却後に世界最高のエネルギー分解能を達成しています。世界中の深地下実験室と比較すると、金平核天体物理実験施設には、実験室のバックグラウンドレベルが最も低く、深地下加速器のビーム強度が最も大きく、BGOガンマ検出器アレイのエネルギー分解能が優れているという利点があります。この利点を生かし、研究チームは2021年1月1日から92keV共鳴捕獲反応の測定を開始。15日間の昼夜を問わない努力の末、世界で最も正確な測定結果を得た。図に示すように、実験的に得られた共鳴強度誤差は8%、基底状態分布係数誤差は6%であり、いずれも世界で最も正確な実験結果です。

金平の実験結果と既存データの比較 画像出典: Science Bulletin

研究結果によると、AGB星の注目温度である0.1GKでは、実験的に得られた反応率は国際的な評価結果の2.4倍であり、AGB星はより多くの26Alを生成できることを示しています。この高精度の反応率データは、AGB 星の対流モデルを研究するための優れた制約を提供し、球状星団の異常な元素存在比分布を説明するための重要なデータサポートも提供します。

総合情報源：科技日報、中国科学雑誌、中国核工業集団、現代物理学知識など。