他们找到了攀登“圣杯反应”的小道
发表时间:2020-05-29 09:32:15

  在恒星的演化过程中,等氢燃烧殆尽后,恒星的核心会塌缩,直至达到所需的温度进入氦燃烧阶段,由三个氦-4原子核(阿尔法)生成碳-12的“三阿尔法过程”。如果生成的碳-12继续与一个氦-4原子核结合,就可以产生一个氧-16原子核,并放出γ射线。

  这个从碳-12到氧-16的反应决定了宇宙中的碳氧丰度(含量)比,对于恒星演化、元素合成甚至生命起源都非常重要,因此被誉为“圣杯反应”。

  日前,中国原子能科学研究院和美国圣母大学、中科院近代物理所、北京航空航天大学、印度技术大学、印度萨哈核物理所以及北京师范大学合作,基于原子能院的串列加速器,利用自主建立的破裂效应干扰小的硼同位素阿尔法转移反应测量方法,通过转移反应角分布的精确测量和氧-16束缚态势的有效约束,获得了高精度的ANC数据,澄清了国际数据间240倍的分歧。

  他们的结果近日发表在《物理评论快报》上。

 

控制宇宙元素丰度的“圣杯”

 

  论文第一作者、中国原子能科学研究院核物理所助理研究员谌阳平告诉《中国科学报》,在核天体物理中,一直到铁以前的元素的演化过程中,碳氧核的含量比例都非常重要,是核天体物理模型中非常重要的输入量。

  通常,三阿尔法反应是三体反应,因而反应概率很低。然而,由两个氦-4原子核生成的铍-8原子和一个氦-4原子核的能量之和刚好对应一个碳-12原子核激发态的能量,这种共振大大增加了三阿尔法反应的可能性。

  然而在圣杯反应中,情况恰恰相反。氧-16在碳-12和氦-4原子核的能量之和对应之处并没有共振态,因而反应速率变得很慢。圣杯反应和三阿尔法过程这种奇妙的组合,既保证了足够的氧-16产生,又避免了将所有的碳-12都转变成氧-16,进而提供了适量的碳元素和氧元素最终形成碳基生命。宇宙中的碳氧含量比大概是2:1,这个比例就是由圣杯反应决定的。

  “这条孕育生命的反应链如同一条连续的水流,整条链反应的速率由最慢的反应决定。”谌阳平说。“就好像用细颈瓶倒水,最窄的瓶颈决定了流速。而圣杯反应就是这个瓶颈。”

  据论文通讯作者、中国原子能科学研究院核物理所研究员郭冰介绍,影响这个反应的主要有几方面的贡献:一个是阈上共振俘获,第二个是阈下共振俘获,第三个是基态外部俘获。

  这三方面的贡献都非常重要,都需要精确测量。郭冰说:“我们这个工作主要是针对基态外部俘获开展的研究,要想确定基态外部俘获贡献到底多大,需要精确测量氧-16基态的渐近归一化系数(ANC)。”

  然而,由于精确测量的困难,“国际上已有的ANC数据存在240多倍的分歧,这导致无法准确给出圣杯反应的电四级截面(S因子)”。郭冰告诉《中国科学报》。

  “核反应的截面面积就是反应概率。”谌阳平解释说:“就好像玩飞镖游戏,红心的面积就是投中的概率。”

  这个反应的截面有多小呢?核物理中,1 barn等于10-28平方米,而圣杯反应的截面面积是10-17 barn。

 

转移反应:华山背后的小道

 

  直接测量圣杯反应还不仅要解决反应截面极小这一个困难,还有宇宙辐射的本底噪音。

  “高能宇宙射线中的μ子会对反应自身探测造成极大的干扰,信噪比太低了。”谌阳平说道,“除非在锦屏山下世界最深的地下实验室里。”

  由于无法直接测量,对此前学界对圣杯反应截面的估计都是外推得到的。

  “然而,众所周知,外推是不准的。”谌阳平说,而国际上对氧-16基态ANC数据存在的240多倍的分歧更加降低了外推的可信度。

  虽然“自古华山一条路”,但是也许存在一条小路可以“暗渡陈仓”。

  对于“圣杯反应”来说,既然直接测量比较困难,有没有转移反应可以降低测量的难度呢?

  实验组从2007年开始一直在摸索转移反应的方法。

  他们采用硼-11跟碳-12发生反应生成锂-7,在这个过程中,碳-12通过转移过程俘获了硼-11中的一个氦-4。正是对这个转移过程的测量与分析,可以精确地获得氧-16的基态参数,从而澄清国际上目前存在的分歧,让我们对圣杯反应的反应机制有更深层次的了解。

  “结果和国际上以前假设的完全不一样。”谌阳平说。“外部俘获确实非常重要。”

  谌阳平说,过去的估算认为,电偶级和电四级跃迁俘获的比例大致在2:1。这次的结果发现电四级跃迁俘获贡献比以前的预言大了55%,相当于圣杯反应总截面增大了16%。这个变化对目前的恒星演化模型来说是相当显著的。

 

十年磨一剑

 

  氧-16在反应能量附近有很多共振,基态的“外部俘获”本来并不受到研究人员的重视。

  “此前,硼-11的阿尔法转移反应方法相当不成熟。”谌阳平说,“我们从07年开始积累,2012年完善了方法,到2019年在《物理快报B》上发表高水平的论文《11B(硼-11)基态α集团谱幅度的首次实验测量》,首次用实验数据说话,完善了硼-11的阿尔法转移反应的可靠性,才得到了国际同行的广泛认同。”

  正是这些系统性的工作,为圣杯反应的工作奠定了坚实的基础。本篇论文的共同通讯作者、美国圣母大学物理系助理教授James deBoer经过他的理论计算,也认为外部俘获值得去测一下,因此与原子能院核物理所核天体物理团队一起完成了这项工作。

  可以说,能够得到国际同行的信任和认可,让国际同行愿意参与合作,也说明核天体物理团队有过硬的手段。

  十年磨一剑,原子能院此项工作的发表表明我国在进入了该领域研究的最前沿。

  郭冰说:“这个工作是在地面实验室开展的,将来我们还将在锦屏深地实验室对‘圣杯反应’开展更精确的测量。”

  “把圣杯反应直接测出来是我们的最终目标。”谌阳平说。“圣杯反应所发生的场所温度大约2亿度,对应着300千电子伏特的平均能量,目前国际上的测量结果只到890千电子伏特,距离我们的目标还很遥远。在由柳卫平老师领衔的基金委重大项目支持下,我们正在建设锦屏深地核天体物理实验平台(JUNA),从600千电子伏特开始,最终实现在能量为450千电子伏特处的测量。”谌阳平说,“我们都将成为‘地下工作者’。”

  那时,“圣杯反应”的截面就几乎不是外推出来的了,人类才能真正的一窥这条神奇的孕育生命的反应链的庐山真面目。

  冲击圣杯,原子能院已在路上。

 

相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.162701 

                                                             (来源:中国科学报   作者:池涵)