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我国深地核天体物理研究进入新阶段

2021-10-09 08:52     来源:中国原子能科学研究院     伽马射线宇宙射线
近日,依托中国锦屏深地核天体物理实验(JUNA)装置,基金委重大项目JUNA合作组对关键核天体反应19F(p,αg)16O进行了反应截面的直接测量,将测量范围推进到世界最低能区,覆盖了天体物理感兴趣的伽莫夫能区。相关结果已发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,并被选为特色物理和编辑推荐的亮点文章。论文第一作者是北京师范大学张立勇副教授,通讯作者是何建军教授和中国原子能科学研究院柳卫平研究员,以及国际合作团队的美国圣母大学M.Wiescher教授。作为JUNA实验装置的首批成果之一,19F(p,αg)16O实验的成功开展证明JUNA装置完全具备了进行深地核天体物理研究的能力,《物理评论快报》审稿人认为:“实验结果对解释宇宙中悬而未决的氟超丰问题具有根本意义”,这标志着我国深地核天体物理研究将进入一个新的阶段。


△在130keV质子束流能量的轰击下,地面与深地实验室所获伽马射线谱的比较

宇宙中氟元素的起源问题迄今仍然是一个重要科学问题,它是核天体物理的一个重要研究方向。有理论认为,AGB(渐近支)星是氟元素的主要合成场所,但由于缺乏与氟相关的一系列关键核反应在感兴趣伽莫夫能区的实验数据,目前的AGB星模型尚无法解释天文观测得到的氟超丰现象。19F(p,αg)16O是AGB星中氟元素的主要消耗方式之一,它在伽莫夫能区的截面极低,由于宇宙射线本底的影响,人们一直无法对其进行直接测量。因此,对19F(p,αg)16O反应的直接测量迫切需要在深地实验室进行,这也成为JUNA项目中的四个科学目标之一。


△19F(p,αg)16O反应的天体物理S因子

中国锦屏地下实验室(CJPL)覆盖岩层厚达2400多米,深度居世界之首。宇宙射线通量比意大利格兰萨索地下LUNA实验室还要低大约100倍。锦屏II期新建了8个实验洞用于开展多学科深地科学研究,其中A1实验洞用于建设JUNA装置。在基金委重大项目、中核集团集中研发项目以及中科院仪器项目的牵引下,JUNA装置由中国原子能科学研究院牵头,联合中科院近代物理研究所、北京师范大学、清华大学等科研单位于2020年底深地建成出束。研发了深地束流最强的400 kV加速器,建立了高效率大立体角的 BGO伽马射线、中子探测器及带电粒子探测器阵列,为重要核天体反应直接测量提供了世界一流的条件。

JUNA项目子课题负责人北京师范大学何建军教授带领科研团队经过几年的艰苦攻关,成功研制出目前耐辐照能力最强的19F注入靶,并迈进地面实验,积累了大量关键实验技术和经验;于2021年初,利用锦屏加速器提供的强流质子束,成功将该反应从之前的198 keV一直向下推进至72.4keV能量点(目前深地条件下的极限),首次在AGB星感兴趣的伽莫夫能区获得了实验数据。

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