近日，中國、美國、日本和匈牙利等國家的科學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際實驗數(shù)據(jù)間數(shù)倍的分歧，對于理解宇宙超鐵元素的起源及豐度問題具有重要意義，相關(guān)成果于2022年9月23日在《物理評論快報》上發(fā)表。 

　　宇宙中比鐵更重的元素被稱為超鐵元素，其起源問題是二十一世紀物理未解之謎。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星體生產(chǎn)超鐵元素的能力。 

　　1954年，Cameron和Greenstein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，太陽系內(nèi)約有一半超鐵元素所需的中子來自該反應(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，對該反應(yīng)截面的直接測量是核天體物理領(lǐng)域的一大難題，被列為該領(lǐng)域的重要研究目標之一。 

　　錦屏深地核天體物理實驗（JUNA）研究團隊歷經(jīng)7年努力，研制了深地實驗室中最高流強的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器陣列。結(jié)合錦屏深地實驗室優(yōu)良的低本底環(huán)境，團隊在天體物理能區(qū)（0.24-0.59 MeV）內(nèi)精確測量了¹³C(α,n)¹⁶O反應(yīng)截面，并利用四川大學3MV串列加速器將測量能區(qū)擴展至高能區(qū)（1.9 MeV），首次實現(xiàn)了¹³C(α,n)¹⁶O反應(yīng)截面從天體物理能區(qū)到高能區(qū)精確的自洽測量。 

　　核天體物理學家、北京航空航天大學的Kajino教授認為：“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-過程和s-過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實基礎(chǔ)?！?span> 

　　本工作由中國科學院近代物理研究所、中國原子能科學研究院、四川大學、蘭州大學、中山大學、山東大學、北京師范大學、美國圣母大學、日本理化學研究所、匈牙利孔科利天文臺等國內(nèi)外多家單位的科研人員合作完成。文章的第一作者是近代物理所高丙水副研究員，近代物理所唐曉東研究員、中國原子能科學研究院柳衛(wèi)平研究員為共同通訊作者。 

　　該研究得到了國家自然科學基金重大項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、中科院科學儀器項目、科技部重點研發(fā)計劃和中核集團自主研發(fā)項目等國內(nèi)項目及美歐等國的項目支持。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.132701  

圖1：恒星中子源反應(yīng)¹³C(α,n)¹⁶O地下實驗測量藝術(shù)效果圖 （圖/近代物理所）

圖2：¹³C(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驗室和四川大學的測量結(jié)果。JUNA fit為利用本工作實驗數(shù)據(jù)獲得的外推結(jié)果。（圖源/JUNA合作組） 

　　                                          (核天體物理室   供稿）