近日，中國(guó)、美國(guó)、日本和匈牙利等國(guó)家的科學(xué)家合作開展了恒星中子源反應(yīng)13C(α,n)16O天體能區(qū)截面的直接測(cè)量工作，得到了該反應(yīng)目前最精確的反應(yīng)率數(shù)據(jù)。該研究澄清了此前國(guó)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間數(shù)倍的分歧，對(duì)于理解宇宙超鐵元素的起源及豐度問(wèn)題具有重要意義，相關(guān)成果于9月23日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

宇宙中比鐵更重的元素被稱為超鐵元素，其起源問(wèn)題是21世紀(jì)物理未解之謎。中子是將鐵元素變成超鐵元素的重要原料。星體內(nèi)部中子源反應(yīng)截面的大小決定了一個(gè)星體生產(chǎn)超鐵元素的能力。

1954年，國(guó)外學(xué)者從理論上提出了星體中子源反應(yīng)13C(α,n)16O。作為星體內(nèi)部的重要中子源，太陽(yáng)系內(nèi)約有一半超鐵元素所需的中子來(lái)自該反應(yīng)。然而，因該反應(yīng)在天體物理能區(qū)（0.15-0.54MeV）的截面極小，對(duì)該反應(yīng)截面的直接測(cè)量是核天體物理領(lǐng)域的一大難題，被列為該領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。

錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)（JUNA）研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)7年努力，研制了深地實(shí)驗(yàn)室中最高流強(qiáng)的α粒子加速器、高功率13C同位素厚靶及高靈敏度的中子探測(cè)器陣列。結(jié)合錦屏深地實(shí)驗(yàn)室優(yōu)良的低本底環(huán)境，團(tuán)隊(duì)在天體物理能區(qū)（0.24-0.59 MeV）內(nèi)精確測(cè)量了13C(α,n)16O反應(yīng)截面，并利用四川大學(xué)3MV串列加速器將測(cè)量能區(qū)擴(kuò)展至高能區(qū)（1.9 MeV），首次實(shí)現(xiàn)了13C(α,n)16O反應(yīng)截面從天體物理能區(qū)到高能區(qū)精確的自洽測(cè)量。

核天體物理學(xué)家、北京航空航天大學(xué)的Kajino(梶野敏貴)教授認(rèn)為：“該研究提供了目前13C(α,n)16O反應(yīng)截面最精確的數(shù)據(jù)，為發(fā)展i-過(guò)程和s-過(guò)程核合成的天體物理模型及構(gòu)建超鐵元素演化的新圖景提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

本工作由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、四川大學(xué)、蘭州大學(xué)、中山大學(xué)、山東大學(xué)、北京師范大學(xué)、美國(guó)圣母大學(xué)、日本理化學(xué)研究所、匈牙利孔科利天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)外多家單位的科研人員合作完成。近代物理所副研究員高丙水為文章第一作者，近代物理所研究員唐曉東、中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員柳衛(wèi)平為共同通訊作者。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中科院科學(xué)儀器項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中核集團(tuán)自主研發(fā)項(xiàng)目等國(guó)內(nèi)項(xiàng)目及美歐等國(guó)的項(xiàng)目支持。

恒星中子源反應(yīng)13C(α,n)16O地下實(shí)驗(yàn)測(cè)量藝術(shù)效果圖 （圖源自近代物理所）

13C(α,n)16O反應(yīng)s-因子隨能量變化曲線。圖中JUNA和SCU分別為本工作中在錦屏深地實(shí)驗(yàn)室和四川大學(xué)的測(cè)量結(jié)果。JUNA fit為利用本工作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的外推結(jié)果。（圖源自JUNA合作組）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.132701