锦屏深地实验研究解决恒星中子源反应率分歧难题

近日，中国、美国、日本和匈牙利等国家的科学家合作开展了恒星中子源反应¹³C(α,n)¹⁶O天体能区截面的直接测量工作，得到了该反应目前最精确的反应率数据。该研究澄清了此前国际实验数据间数倍的分歧，对于理解宇宙超铁元素的起源及丰度问题具有重要意义，相关成果于9月23日发表在《物理评论快报》上。

宇宙中比铁更重的元素被称为超铁元素，其起源问题是21世纪物理未解之谜。中子是将铁元素变成超铁元素的重要原料。星体内部中子源反应截面的大小决定了一个星体生产超铁元素的能力。

1954年，国外学者从理论上提出了星体中子源反应¹³C(α,n)¹⁶O。作为星体内部的重要中子源，太阳系内约有一半超铁元素所需的中子来自该反应。然而，因该反应在天体物理能区（0.15-0.54MeV）的截面极小，对该反应截面的直接测量是核天体物理领域的一大难题，被列为该领域的重要研究目标之一。

锦屏深地核天体物理实验（JUNA）研究团队历经7年努力，研制了深地实验室中最高流强的α粒子加速器、高功率13C同位素厚靶及高灵敏度的中子探测器阵列。结合锦屏深地实验室优良的低本底环境，团队在天体物理能区（0.24-0.59 MeV）内精确测量了¹³C(α,n)¹⁶O反应截面，并利用四川大学3MV串列加速器将测量能区扩展至高能区（1.9 MeV），首次实现了¹³C(α,n)¹⁶O反应截面从天体物理能区到高能区精确的自洽测量。

核天体物理学家、北京航空航天大学的Kajino(梶野敏贵)教授认为：“该研究提供了目前¹³C(α,n)¹⁶O反应截面最精确的数据，为发展i-过程和s-过程核合成的天体物理模型及构建超铁元素演化的新图景提供了坚实基础。”

本工作由中国科学院近代物理研究所、中国原子能科学研究院、四川大学、兰州大学、中山大学、山东大学、北京师范大学、美国圣母大学、日本理化学研究所、匈牙利孔科利天文台等国内外多家单位的科研人员合作完成。近代物理所副研究员高丙水为文章第一作者，近代物理所研究员唐晓东、中国原子能科学研究院研究员柳卫平为共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目、中科院战略性先导科技专项（B类）、中科院科学仪器项目、科技部重点研发计划和中核集团自主研发项目等国内项目及美欧等国的项目支持。

恒星中子源反应¹³C(α,n)¹⁶O地下实验测量艺术效果图 （图源自近代物理所）

¹³C(α,n)¹⁶O反应s-因子随能量变化曲线。图中JUNA和SCU分别为本工作中在锦屏深地实验室和四川大学的测量结果。JUNA fit为利用本工作实验数据获得的外推结果。（图源自JUNA合作组）

相关论文信息：

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