成果丨我國深地核天體物理研究進入新階段
2021-10-08
近日，依托中國錦屏深地核天體物理實驗（JUNA）裝置，基金委重大項目JUNA合作組對關鍵核天體反應19F(p,αg)16O進行了反應截面的直接測量，將測量范圍推進到世界最低能區，覆蓋了天體物理感興趣的伽莫夫能區。相關結果已發表于國際頂級物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，并被選為特色物理和編輯推薦的亮點文章。論文第一作者是北京師范大學張立勇副教授，通訊作者是何建軍教授和中國原子能科學研究院柳衛平研究員，以及國際合作團隊的美國圣母大學M.Wiescher教授。作為JUNA實驗裝置的首批成果之一，19F(p,αg)16O實驗的成功開展證明JUNA裝置完全具備了進行深地核天體物理研究的能力，《物理評論快報》審稿人認為：“實驗結果對解釋宇宙中懸而未決的氟超豐問題具有根本意義”，這標志著我國深地核天體物理研究將進入一個新的階段。
△在130keV質子束流能量的轟擊下，地面與深地實驗室所獲伽馬射線譜的比較
宇宙中氟元素的起源問題迄今仍然是一個重要科學問題，它是核天體物理的一個重要研究方向。有理論認為，AGB（漸近支）星是氟元素的主要合成場所，但由于缺乏與氟相關的一系列關鍵核反應在感興趣伽莫夫能區的實驗數據，目前的AGB星模型尚無法解釋天文觀測得到的氟超豐現象。19F(p,αg)16O是AGB星中氟元素的主要消耗方式之一，它在伽莫夫能區的截面極低，由于宇宙射線本底的影響，人們一直無法對其進行直接測量。因此，對19F(p,αg)16O反應的直接測量迫切需要在深地實驗室進行，這也成為JUNA項目中的四個科學目標之一。
△19F(p,αg)16O反應的天體物理S因子
中國錦屏地下實驗室(CJPL)覆蓋巖層厚達2400多米，深度居世界之首。宇宙射線通量比意大利格蘭薩索地下LUNA實驗室還要低大約100倍。錦屏II期新建了8個實驗洞用于開展多學科深地科學研究，其中A1實驗洞用于建設JUNA裝置。在基金委重大項目、中核集團集中研發項目以及中科院儀器項目的牽引下，JUNA裝置由中國原子能科學研究院牽頭，聯合中科院近代物理研究所、北京師范大學、清華大學等科研單位于2020年底深地建成出束。研發了深地束流最強的400 kV加速器，建立了高效率大立體角的 BGO伽馬射線、中子探測器及帶電粒子探測器陣列，為重要核天體反應直接測量提供了世界一流的條件。
JUNA項目子課題負責人北京師范大學何建軍教授帶領科研團隊經過幾年的艱苦攻關，成功研制出目前耐輻照能力最強的19F注入靶，并邁進地面實驗，積累了大量關鍵實驗技術和經驗；于2021年初，利用錦屏加速器提供的強流質子束，成功將該反應從之前的198 keV一直向下推進至72.4keV能量點（目前深地條件下的極限），首次在AGB星感興趣的伽莫夫能區獲得了實驗數據。
來源：中國原子能科學研究院
