核天体物理“圣杯”反应研究取得重要进展
发表时间:2020-04-07 14:36:48

    近日,原子能院核物理所核天体物理创新团队和圣母大学、中科院近物所、北京航空航天大学、印度技术大学、萨哈核物理所和北京师范大学的同行合作,对核天体物理研究领域最关键的“圣杯”反应——12C(α, γ)16O反应开展了研究,并取得重要进展。该研究结果被国际物理学顶级期刊 Physical Review Letters (《物理评论快报》)接受发表,文章第一作者为原子能院谌阳平博士,通讯作者为原子能院郭冰研究员,圣母大学R. J. deBoer教授为论文的共同通讯作者(负责实验结果的R矩阵分析)。

    在恒星核合成的诸多核反应中,12C(α,γ)16O无疑是最为关键的一个。该反应的快慢不但直接影响恒星的演化进程,它也是生命起源的种子,被誉为核天体物理研究领域的“圣杯”反应。碳和氧是生物体中最重要的两种元素,它们的丰度比受“圣杯”反应的精准调控。“圣杯”反应速率的快慢,将影响自然界中碳、氧元素的比例,碳元素一旦严重不足,就会影响生命的进化过程。正是因为“圣杯”反应具有对恒星演化和生命的调控作用,所以对它的精确测量被公认为是核天体物理最关键的科学问题之一。恒星演化模型计算对该反应精度的要求是好于10%。然而,目前的各种测量方法得到的截面误差还远远达不到恒星演化模型要求的精度,因此急需探索新实验方法,提高该反应的测量精度。

人体中90%以上的元素都来源于宇宙中无时无刻不在发生的元素核合成过程

    由于16O束缚态势的巨大不确定性,使得国际上16O基态渐进归一化系数(ANC)的现有结果存在240倍分歧,导致无法准确给出“圣杯”反应的电四级截面。研究人员基于原子能院串列加速器,自主建立了破裂效应干扰小的硼同位素α转移反应测量方法,通过转移反应角分布的精确测量和16O束缚态势的有效约束,获得高精度的ANC数据,澄清了国际数据间240倍的分歧。新结果使天体物理能量下“圣杯”反应电四级截面比国际最新推荐值增加了55%,总截面增加了16%,这将显著影响模型预言的核素丰度。如氩同位素的丰度增加约70%,进而影响我们对大质量恒星演化的理解。新结果为未来在锦屏深地实验室开展该反应的直接测量提供了重要参考。可以预期,随着中国锦屏深地核天体物理实验(JUNA)的开展,将向“圣杯”反应迈出新的步伐。

 

12C(α, γ)16O反应电四极成分天体物理S因子

    该工作获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委重大项目、基金委和中核集团的核技术创新联合基金、财政部稳定支持研究经费等项目的支持。(核物理所)