兰州大学合作开展的锦屏深地实验研究成果取得新进展

宇宙中比铁更重的元素被称为超铁元素，其起源问题是二十一世纪物理未解之谜。中子是将铁元素变成超铁元素的重要原料。星体内部中子源反应截面的大小决定了一个星体生产超铁元素的能力。1954年，Cameron和Greenstein从理论上提出了星体中子源反应13C(α,n)16O。作为星体内部的重要中子源，太阳系内约有一半超铁元素所需的中子来自于该反应。但是，因该反应在天体物理能区(0.15-0.54MeV)的截面极小，对该反应截面的直接测量是核天体物理领域的一大难题，被列为该领域的重要研究目标之一。

近日，中国、美国、日本和匈牙利等国家的科学家合作开展了恒星中子源反应13C(a,n)16O天体能区截面的直接测量工作，得到了该反应目前最精确的反应率数据。该研究澄清了此前国际实验数据间数倍的分歧，对于理解宇宙超铁元素的起源及丰度问题具有重要意义，相关成果于9月23日在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表。

锦屏深地核天体物理实验(JUNA)研究团队历经7年努力，研制了深地实验室中最高流强的粒子加速器、高功率13C同位素厚靶及高灵敏度的中子探测器阵列。结合锦屏深地实验室优良的低本底环境，团队在天体物理能区(0.24-0.59 MeV)内精确测量了13C(a,n)16O反应截面，并利用四川大学3MV串列加速器将测量能区扩展至高能区(1.9 MeV)，首次实现了13C(a,n)16O反应截面从天体物理能区到高能区精确的自洽测量，澄清了此前国际实验数据之间数倍的分歧。

该研究为天体物理研究提供了目前最精确的13C(a,n)16O天体反应率数据，对理解宇宙超铁元素的起源及丰度问题具有重要意义。在近期国际上组织的13C(a,n)16O中子源反应的专题讨论中，该领域专家一致认为，通过JUNA的工作，结合此前的研究，困扰多年的中子源反应率的分歧难题得到了圆满解决。

著名核天体物理学家Kajino教授认为：“该研究提供了目前13C(a,n)16O反应截面最精确的数据，为发展i-过程和s-过程核合成的天体物理模型及构建超铁元素演化的新图景打下了坚实基础。”

本工作由中国科学院近代物理研究所、中国原子能科学研究院、四川大学、兰州大学、中山大学、山东大学、美国圣母大学、日本理化学研究所、匈牙利孔科利天文台等多家单位的科研人员合作完成。近代物理所与兰州大学共建核物理系的高丙水副研究员为文章的第一作者，近代物理所与兰州大学共建核物理系唐晓东研究员、中国原子能科学研究院柳卫平研究员为共同通讯作者。近代物理所与兰州大学联合培养“菁英班”本科生梁天骁、范翊华等参加了实验平台搭建和维护，高功率靶研发、中子本底抑制等相关工作。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目、中科院战略性先导科技专项(B类)、中科院科学仪器项目、科技部重点研发计划和中核集团自主研发项目等项目的支持。

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中子——点石成金的魔法炮弹 (https://mp.weixin.qq.com/s/sNCrLcM3jzvXxffMXT50Rw)

图1：13C(α,n)16O 恒星中子源反应截面地下实验的艺术图。(图片由近物所提供)

图2：13C(a,n)16O反应s-因子随能量变化曲线。图中JUNA和SCU分别为本工作中在锦屏深地实验室和四川大学的测量结果。JUNAfit为利用本工作实验数据获得的外推结果。(图片由JUNA合作组提供)

图3：JUNA合作组在兰州大学和中科院近物所的部分成员合影

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