Tolle Neuigkeiten! Das Jinping Deep Earth Core Astrophysics Experiment veröffentlicht erste experimentelle Ergebnisse und erforscht die tiefen Geheimnisse des Universums

Wenn Sie das Jinping Deep Underground Laboratory besuchen, erleben Sie eine wunderbare Reise, die dem Code der himmlischen Evolution am nächsten kommt. Wenn Sie durch einen mehr als zehn Kilometer langen Tunnel in einer Tiefe von 2.400 Metern unter der Erde gehen, können Sie neben den laufenden Instrumenten, begleitet von den schwachen Blitzen verstärkter Kernsignale, dem schlagenden Puls des Universums lauschen.“ Liu Weiping, Chefwissenschaftler des Jinping Deep Underground Nuclear Astrophysics Experiment Project und Forscher am China Institute of Atomic Energy (im Folgenden IAE), der seit mehr als 30 Jahren auf dem Gebiet der Nuklearastrophysik forscht, hat immer noch strahlende Augen und Leidenschaft, wenn er über das Jinping Deep Underground Experiment Project spricht. „Als ich um ein Uhr morgens meinen Dienst auf dem Versuchsgelände antrat, spürte ich zum ersten Mal, dass die Tür zur Entdeckung so nah vor mir lag.“

Am 18. Dezember veröffentlichte das erste Tiefennuklearastrophysik-Experimentprojekt meines Landes, JUNA – Jinping Deep Nuclear Astrophysics Experiment, seine ersten Versuchsergebnisse.

Bild: Chinesisches Institut für Atomenergie

Die Messempfindlichkeit und statistische Genauigkeit der ersten vier veröffentlichten wichtigen Reaktionsexperimente der Kernastrophysik lagen über dem internationalen Niveau ähnlicher Geräte und erreichten die maximale Belichtung, den größten Energiebereich und die höchste Empfindlichkeit internationaler direkter Messungen der Kernastrophysik. mein Land ist das dritte Land der Welt, das in der Lage ist, nukleare Astrophysikforschung in den Tiefen der Erde zu betreiben.

Bild: Chinesisches Institut für Atomenergie

Fokus auf die „Heiliger Gral“-Reaktion der nuklearen Astrophysik

William Fowler, Nobelpreisträger für Physik 1983, sagte einmal: „Die überwiegende Mehrheit der Elemente im menschlichen Körper sind C und O, und sie sind auf chemischer und biologischer Ebene im Wesentlichen verstanden.“ Aber auf der Ebene der nuklearen Astrophysik verstehen wir nicht, wie dieses C und O erzeugt werden. Daher wird diese Reaktion als der „Heilige Gral“ der nuklearen Astrophysik gefeiert und ist auch als Keim der Entstehung des Lebens bekannt. Es ist sehr wichtig für die Sternentwicklung, das endgültige Schicksal massereicher Sterne, die Fülle kosmischer Elemente und sogar die Entstehung des Lebens.

Die „Heilige Gral“-Reaktion gilt in den Herzen der Kernastrophysiker auf der ganzen Welt auch als Mount Everest.

Doch den „Heiligen Gral“ zu erlangen, ist mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Die direkte Messung der „Heiligen Gral“-Reaktion liefert Daten mit minimalem Fehler, aber die Reaktion ist extrem schwach und ein Versuchsstandort, der die kosmische Strahlung abschirmen kann, ist für die Kernastrophysik eine notwendige Voraussetzung, um den „Heiligen Gral“ zu finden.

Schaffen Sie die beste Umgebung, um den Klängen des Universums zu lauschen

Liu Weiping gab den Gedanken, den „Heiligen Gral“ zu gewinnen, nie auf.

Im Jahr 2008 wurde der mit 17,5 Kilometern längste Transporttunnel der Welt des Wasserkraftwerks Jinping offiziell eröffnet, was sofort die Aufmerksamkeit von Liu Weiping erregte. Der Grund für die Attraktivität des Tunnels mit der größten Vergrabungstiefe liegt darin, dass die 2.400 Meter dicke Gesteinsschicht über dem Tunnel wie ein dichter Vorhang das Licht der kosmischen Strahlung blockiert und die Kernprozesse in den Sternen unter der Erde wieder zu glühen beginnen.

Im Jahr 2015 erhielt Chinas erstes Deep-Core-Astrophysik-Experimentprojekt große Unterstützung von der National Natural Science Foundation of China.

Mit Unterstützung des China Jinping Underground Laboratory, der Tsinghua University und der Yalong River Basin Hydropower Development Co., Ltd. übernahm das Institute of Atomic Energy die Führung bei der Zusammenführung des Institute of Modern Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Beijing Normal University und anderer Einheiten, um eine experimentelle Plattform für das Studium der nuklearen Astrophysik in der tiefsten und ruhigsten experimentellen Umgebung der Welt neben dem Jinping-Wasserkraftwerk der Yalong River Company zu errichten.

Im unterirdischen Labor von Jinping

Sich allein auf die Abschirmung der kosmischen Strahlung durch die Tiefen der Erde zu verlassen, reicht jedoch bei weitem nicht aus.

„Als das Team sich für das Projekt bewarb, verfügte es zwar über gewisse Fähigkeiten und Erfahrungen mit Beschleunigern, Detektoren, Hochleistungszielen und Ionenquellen, war jedoch auf die Erde beschränkt und hatte fast keine Erfahrung mit der tiefen Erde.“ Guo Bing, stellvertretender Oberbefehlshaber des Jinping Deep Earth Nuclear Astrophysics Experiment Project und Direktor des Instituts für Kernphysik des Instituts für Atomenergie, sagte, dass die experimentelle Ausrüstung von Jinping neu entwickelt werden müsse.

Liu Weipings Leidenschaft für die wissenschaftliche Forschung hat eine große Zahl von Forschern dazu bewogen, sich ihm anzuschließen.

Das Institut für Moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat erfolgreich eine fortschrittliche ECR-Ionenquelle mit einer kompakten Permanentmagnetstruktur entwickelt, die eine Strahlintensität von bis zu 10 mA aufweist, was dem Zehnfachen von LUNA (Italian Deep Core Astronomical Experiment Platform) entspricht. Gleichzeitig hat das Institut für Atomenergie erfolgreich eine Kurzspalt-Beschleunigerröhre entwickelt, um eine hocheffiziente Übertragung von Hochstrahlen zu erreichen, und die Stabilität der Strahlenergie ist besser als 5/10.000; Das Institut für Atomenergie und die Pädagogische Universität Peking haben erfolgreich ein BGO-Detektorarray mit einer Detektionseffizienz von 70 % und einer Auflösung entwickelt, die das beste Niveau ähnlicher internationaler Geräte erreicht. Das vom Institut für Atomenergie entwickelte Hochleistungstarget verfügt über eine Targetleistung von 4 kW/cm² (Kilowatt pro Quadratzentimeter), die den Anforderungen von Fernstrahlexperimenten voll gerecht wird.

Diese Arbeit ist das erste experimentelle Ergebnis des Jinping Deep Core Astrophysics Experiment. Der zugehörige Artikel wurde als Titelartikel im Science Bulletin, Ausgabe 2, 2022, veröffentlicht. Die erste Einheit des Artikels ist das China Institute of Atomic Energy, und die Beijing Normal University, das Institute of Modern Physics der Chinese Academy of Sciences, die Shenzhen University, die Shandong University und andere sind die kooperierenden Einheiten. Der Erstautor ist Professor Su Jun und die Co-Korrespondenzautoren sind die Forscher Li Zhihong und Liu Weiping.

Innovationen aus dem rauen Wohnen "geschnappt"

Anfang 2020 verfügte das Jinping-Phase-II-Labor über grundlegende Betriebsbedingungen und das Projektteam durfte von Ende September 2020 bis Anfang März 2021 endlich experimentelle Forschungen im Jinping-Untergrundlabor durchführen.

Derzeit ist das Jinping Underground Laboratory ein riesiges, unfertiges Haus.

Können wir dieses wertvolle Zeitfenster nutzen, um Experimente durchzuführen? Das Team war tief gespalten. Negative Stimmen meinen, die Zeit sei zu knapp. Beschleuniger und andere Geräte sind Präzisionsinstrumente und ihre Installation und Fehlerbehebung dauern Jahre. In nur fünf Monaten war es eine enorme Herausforderung, die Strahlenemission der Ausrüstung zu realisieren, geschweige denn Experimente durchzuführen.

Nachdem er sich die Meinungen des Teams ausführlich angehört hatte, sagte Liu Weiping: „Das muss getan werden. Es ist das Risiko wert.“ Für Liu Weiping stehen wissenschaftliche Entdeckungen immer an erster und nie an zweiter Stelle.

Um die Installation und Fehlerbehebung der Geräte in kürzester Zeit abzuschließen und genügend Zeit für wissenschaftliche Forschungsexperimente zu lassen, mussten die Projektmitglieder gegen die Zeit antreten und viele Male zwischen Peking und Xichang hin- und herreisen. Die Entfernung von Peking nach Xichang Daliangshan beträgt mehr als 2.000 Kilometer. Zu dem über 3-stündigen Flug kommen noch fast 3 Stunden kurvenreicher Bergstraßen hinzu. Das Projektteam zerlegte und montierte die Ausrüstung von Peking aus im Jinping Underground Laboratory in Xichang, Sichuan.

„Fehler sind nicht erlaubt. Jedes Ersatzteil, selbst eine Schraube, beeinträchtigt den Fortschritt des Plans. In Verbindung mit den Auswirkungen der neuen Coronavirus-Epidemie ist die Aufgabe, wie Sie sich vorstellen können, mühsam“, sagte Guo Bing.

Die Mitglieder, die im Labor blieben, arbeiteten oft bis zwei Uhr morgens, bevor sie ins Lager zurückkehrten, und eilten dann zum Schauplatz, um vor Sonnenaufgang am nächsten Tag zu kämpfen.

Harte Arbeit zahlt sich aus. Nach hundert Tagen harter Arbeit schlossen sie die Installation und Fehlerbehebung der Ausrüstung fünf Tage vor dem geplanten Knotenpunkt ab.

Am 26. Dezember 2020 feuerte das Hochintensitätsbeschleunigergerät JUNA einen Strahl ab, um das Ziel in der Laborhalle A1 des Jinping-Labors zu treffen. Ein helles Licht durchdrang die Dunkelheit auf dem Bildschirm und galt als erster Lichtstrahl, der den „Heiligen Gral“ erhellte.

Die anschließenden erfolgreichen direkten Messungen von vier Schlüsselreaktionen in der Kernastrophysik führten zu bemerkenswerten innovativen Ergebnissen.

Für das JUNA-Projektteam zeigen die innovativen Ergebnisse der ersten Experimente, dass der vom Team entwickelte leistungsstärkste geophysikalische Tiefenströmungsbeschleuniger zu einer experimentellen Plattform mit bedeutendem internationalen Einfluss auf diesem Gebiet geworden ist. Dies ist das erste Mal, dass China in den Mittelpunkt der internationalen Bühne der nuklearen Astrophysik getreten ist und einen deutlichen Schritt in Richtung der „Heiligen Gral“-Reaktion unternommen hat.

Weiterführende Literatur

Im riesigen Universum durchlaufen Sterne einen langsamen Prozess der Entstehung, Entwicklung und des Todes. Die Energie, die diese Sterne zum Leuchten und zur Wärmeerzeugung bringt, stammt aus den thermonuklearen Fusionsreaktionen, die in ihrem Inneren stattfinden. Dieser fortlaufende Kernprozess bildet die Grundlage für die Bildung aller chemischen Elemente in der Natur.

Die Nuklearastrophysik ist eine Disziplin, die diesen wunderbaren Prozess und seine inneren Gesetze erforscht. Dabei werden vor allem Erkenntnisse und Gesetze der Kernphysik genutzt, um den Prozess, die Zeit, die physikalische Umgebung und die Häufigkeitsverteilung der Synthese verschiedener chemischer Elemente und ihrer Isotope im Universum sowie die Auswirkungen nuklearer Prozesse auf die Struktur und Entwicklung von Sternen zu erklären.

Bild von TuChong Creative

Die Nuklearastrophysik ist eines der Grenzgebiete der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung. Die Nuklearastrophysik wird im langfristigen Entwicklungsplan meines Landes für die Physik als wichtiges Entwicklungsfeld aufgeführt, und die Messung von Kernreaktionen im Weltraum in tiefen unterirdischen Labors kann die grundlegendsten und genauesten experimentellen Daten liefern.

Das chinesische unterirdische Labor Jinping befindet sich im Berg Jinping in der Präfektur Liangshan in der Provinz Sichuan. Mit einer vertikalen Felsüberdeckung von 2.400 Metern ist es derzeit das tiefste unterirdische Labor der Welt. Um die direkte Messforschung zu Schlüsselreaktionen in der nuklearen Astrophysik besser durchführen zu können, hat das Chinesische Institut für Atomenergie die Führung übernommen und sich mit dem Institut für Moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Pädagogischen Universität Peking und anderen in- und ausländischen Kräften zusammengeschlossen, um die Installation und den Betrieb des Tiefenerdbeschleunigers im chinesischen Jinping Underground Laboratory abzuschließen. Am 26. Dezember 2020 startete der Hochintensitätsbeschleuniger erfolgreich einen Strahl und wurde damit zum stärksten Tiefintensitätsbeschleuniger der Welt. Generalsekretär Xi Jinping lobte es als eine der Errungenschaften eines „neuen Sprungs nach vorn im Bereich strategischer Hochtechnologien“.

Im unterirdischen Labor von Jinping

Erfolg 1: Die 25Mg(p,γ)26Al-Reaktion erreichte die höchste internationale Präzisionsmessung

In den 1980er Jahren entdeckten astronomische Beobachtungen im interstellaren Medium der Milchstraße eine große Menge an 26Al, mit einem Gehalt von etwa der dreifachen Masse der Sonne. Die Lebensdauer von 26Al beträgt weniger als eine Million Jahre, und das im Frühstadium produzierte 26Al wurde vollständig zerstört. Die Quelle so großer Mengen 26Al in der Milchstraße ist zu einem heißen Thema in der Astrophysik geworden.

Die 25Mg(p,γ)26Al-Reaktion ist die Schlüsselreaktion für die Entstehung von 26Al in Sternen. 25Mg(p,γ)26Al ist als Schlüsselreaktion zur Herstellung von 26Al von großer Bedeutung für die Erklärung der Herkunft von 26Al. Das JUNA-Experiment erzielte die weltweit präziseste Messung der 92-keV-Resonanz, die bei der Reaktion eine entscheidende Rolle spielt, und die experimentellen Ergebnisse wurden als Titelartikel des Science Bulletin, einer führenden internationalen Fachzeitschrift für Physik, veröffentlicht.

Erfolg 2: 19F(p,αγ)16O liefert die genauesten Reaktionsratendaten der Welt

19F(p,αγ)16O ist ein Schlüsselfaktor in der Entwicklung von AGB-Sternen. Aktuelle astronomische Beobachtungen haben ergeben, dass AGB-Sterne einen Überschuss an Fluor aufweisen. Die Häufigkeit von Fluor ist Dutzende oder sogar Hunderte Male höher als im Sonnensystem. Das Standard-Sternmodell kann dieses Phänomen nicht erklären. Eine genaue Messung der 19F(p,αγ)16O-Reaktion wird dazu beitragen, das Problem des Fluorüberschusses zu lösen. Das JUNA-Experiment erweiterte den Messbereich erstmals auf den astrophysikalischen Energiebereich und lieferte die genauesten Reaktionsratendaten der Welt. Die experimentellen Forschungsergebnisse wurden im renommierten internationalen Physikjournal Physical Review Letters veröffentlicht und vom Herausgeber empfohlen.

Leistung 3: Die 13C(α,n)16O-Reaktion deckt erstmals den astrophysikalischen i-Prozess-Energiebereich vollständig ab

Die 13C(α,n)16O-Reaktion ist eine wichtige Neutronenquellenreaktion. Die Synthese von Elementen, die schwerer als Eisen sind, war schon immer das wichtigste Problem der nuklearen Astrophysik. Mittlerweile ist bekannt, dass etwa die Hälfte der Elemente, die schwerer als Eisen sind, durch den langsamen Neutroneneinfangprozess (s-Prozess) entstehen. Die Rohneutronen in diesem Prozess werden durch die 13C(α,n)16O-Reaktion bereitgestellt. Die genaue Messung dieser Reaktion ist wichtig für das Verständnis der Synthese schwerer Elemente. Der vom JUNA-Experiment gemessene Energiebereich deckt zum ersten Mal den astrophysikalischen i-Prozess-Energiebereich vollständig ab und verdeutlicht damit eine dreifache Abweichung von früheren direkten Messdaten.

Erfolg 4: Die 12C(α, γ)16O-Reaktionsmessung erreicht die höchste internationale Empfindlichkeit

Die 12C(α, γ)16O-Reaktion ist die wichtigste Reaktion in Experimenten der nuklearen Astrophysik und gilt als der „Heilige Gral“ der nuklearen Astrophysik. Einerseits liegt es an der Bedeutung dieser Reaktion: Sie bestimmt direkt das Verhältnis von Kohlenstoff und Sauerstoff, den beiden wichtigsten Elementen, aus denen das Leben besteht, im Universum; es hat einen wichtigen Einfluss auf die Häufigkeit fast aller Nuklide bis hin zum Uran; und es bestimmt das endgültige Schicksal der Entwicklung massereicher Sterne. Andererseits sind experimentelle Messungen sehr schwierig, da der Reaktionsmechanismus komplex und der Wirkungsquerschnitt extrem gering ist. Die experimentellen Messungen des Projekts erreichten die weltweit niedrigste Energie, nahe dem astrophysikalischen Energiebereich, und erzielten die höchste Empfindlichkeit bei Reaktionsmessungen, womit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Erlangung des „Heiligen Grals“ getan war.

Das Jinping Deep Underground Laboratory meines Landes verfügt über einzigartige Abschirmungsbedingungen. Die Felsdicke ist 1.000 Meter dicker als in Italien und die Intensität der kosmischen Strahlung ist zwei Größenordnungen geringer. Mit Unterstützung der National Natural Science Foundation of China, der China National Nuclear Corporation und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat das Deep-Core-Astrophysik-Team meines Landes erfolgreich ein Beschleunigergerät mit einer Stromstärke von bis zu 10 mA entwickelt. Darüber hinaus wurde ein BGO-Gammadetektor-Array mit einer geometrischen Effizienz von über 90 % gebaut, das nach der Kühlung die weltweit höchste Energieauflösung erreicht. Verglichen mit anderen unterirdischen Laboren auf der Welt hat die Jinping Nuclear Astrophysics Experiment Facility folgende Vorteile: Das Labor weist den niedrigsten Hintergrundpegel auf, der unterirdische Beschleuniger hat die höchste Strahlintensität und das BGO-Gammadetektor-Array verfügt über eine gute Energieauflösung. Mit diesem Vorteil begann das Forschungsteam am 1. Januar 2021 mit der Messung der 92-keV-Resonanzeinfangsreaktion. Nach 15 Tagen harter Arbeit Tag und Nacht erhielten sie die genauesten Messergebnisse der Welt. Wie in der Abbildung gezeigt, beträgt der experimentell ermittelte Resonanzintensitätsfehler 8 % und der Grundzustandsverteilungsfaktorfehler 6 %. Beides sind die genauesten experimentellen Ergebnisse der Welt.

Vergleich der experimentellen Ergebnisse von Jinping mit vorhandenen Daten. Bildquelle: Science Bulletin

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass bei der für AGB-Sterne relevanten Temperatur von 0,1 GK die experimentell ermittelte Reaktionsrate 2,4-mal höher ist als das internationale Auswertungsergebnis, was bedeutet, dass AGB-Sterne mehr 26Al produzieren können. Diese hochpräzisen Daten zur Reaktionsrate bieten eine gute Grundlage für die Untersuchung des Konvektionsmodells von AGB-Sternen und können außerdem wichtige Daten zur Erklärung der anormalen Elementhäufigkeitsverteilung von Kugelsternhaufen liefern.

Umfassende Quellen: Science and Technology Daily, China Science Magazine, China National Nuclear Corporation, Modern Physics Knowledge usw.