上海光源新进展！科学家实现D(γ, n)p光解反应光中子截面高精度测量

复旦大学/华东师范大学马余刚院士、复旦大学何建军教授团队，联合东京大学/北京航空航天大学梶野敏贵教授团队、中国科学院上海高等研究院范功涛研究员团队，基于上海光源激光-电子伽马源（SLEGS）装置上的光核反应研究取得新进展，为寻找标准宇宙学模型之外的新物理提供了线索。2月4日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。

根据大爆炸理论，宇宙大约在138亿年前起源于一个火球。随着宇宙的膨胀和冷却，当宇宙诞生约3分钟时，原初大爆炸核合成（BBN）开始，随宇宙膨胀温度密度迅速降低。不到半小时后，原初核反应就熄灭了。通过BBN，只有最轻的核素被合成到可观的数量，大约产生了75%的¹H和25%的⁴He，以及极少量的²H（氘）、³He（氦3）和⁷Li（锂7）。这些遗迹为人们提供了一个独特的、得以窥见早期宇宙面貌的探针。

其中，作为BBN产生的第一种核素，氘是后续反应的关键原初物质和燃料。目前天文观测到的氘丰度的精度已达到约1%的水平，BBN理论预测和核物理数据也需要达到类似的水平。然而，产生氘的p(n, γ)D反应在BBN感兴趣能量下的截面还有很大的不确定度。精确测定该反应截面，对于研究关键宇宙学参数——重子数密度Ω_bh²、原初氘丰度，以及在精确宇宙学背景下研究BBN及其稳健性都具有重要的物理意义。

D(γ, n)p光解反应是pn俘获反应的逆反应。研究团队对D(γ, n)p的光中子截面进行了高精度测量。结果显示，在E_γ=2.327~7.089 MeV能量范围内，其精度比之前类似实验的结果提高了2倍多。

进一步地，研究团队使用重子有效场理论，对所有相关可用实验数据进行全局马尔可夫链蒙特卡洛分析，获得了前所未有的精确的p(n,γ)D反应截面和热核反应率，其精度比20年前的评估高出大约4倍。

在标准的ΛCDM BBN框架下，新的高精度反应率使Ω_bh²的不确定度相对于以往结果降低了10%~16%。研究团队同时观察到，由原初氘丰度观测和宇宙微波背景辐射测量所约束的Ω_bh²之间存在约1.2σ的矛盾，表明了提高DD反应率精度的必要性和重要性。

研究团队表示，SLEGS于2021年12月建设完成并投入运行，是全球首个实现激光康普顿斜散射模式的激光康普顿散射的装置，具有更为便捷的能量扫描能力。这项实验证实了SLEGS全面具备了进行核天体物理光核反应实验测量的能力，也为在该装置上开展天体物理关键光核反应研究铺平了道路，并开启了新的研究方向。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/tbbt-s819