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中國錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室。北京師范大學(xué)教授何建軍團(tuán)隊成功研制出目前耐輻照能力最強(qiáng)的氟注入靶，并在錦屏深地直接測量了天體關(guān)鍵核反應(yīng)截面，揭示了古老恒星鈣元素的豐度之謎。

近日，相關(guān)成果刊發(fā)于《自然》。新華社、中國科學(xué)報、科技日報等主流媒體對這一成果進(jìn)行了報道。

2014年，澳大利亞天文學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡觀測到一顆宇宙中迄今最古老的紅巨星。它的鈣元素起源問題至今仍然是一個謎。天體理論認(rèn)為，這些鈣元素可能來源于碳氮氧循環(huán)的突破反應(yīng)。但是，氟輻射俘獲質(zhì)子的突破反應(yīng)在天體物理感興趣的能區(qū)尚無實驗數(shù)據(jù)。

從世界最深的實驗室窺探宇宙的奧秘

團(tuán)隊于2021年初利用錦屏深地核天體物理裝置（JUNA）提供的強(qiáng)流質(zhì)子束，成功將該氟輻射俘獲質(zhì)子的突破反應(yīng)從之前的240千電子伏特一直向下推進(jìn)至186千電子伏特，觸碰到了第一代星感興趣的伽莫夫能區(qū)，并在225千電子伏特發(fā)現(xiàn)了一個新的共振。

JUNA測量的

在第一代星最感興趣的1億攝氏度溫度附近，新共振的發(fā)現(xiàn)使得該突破反應(yīng)的反應(yīng)率比之前歐洲核天體反應(yīng)率庫中的推薦值大了5.4~7.4倍，并且將該溫度附近的反應(yīng)率不確定度從幾個數(shù)量級縮小至50%左右，極大降低了該反應(yīng)率在天體網(wǎng)絡(luò)計算中所引起的誤差。

同時，團(tuán)隊與天體物理學(xué)家合作，研究了新反應(yīng)率在第一代星中的影響，計算表明該反應(yīng)從碳氮氧循環(huán)突破出去的概率比之前預(yù)想的大7倍左右，解釋了第三星族恒星SMSS0313-6708中觀測到的鈣豐度問題。

天體物理模型計算的第一代星中鈣的豐度。其中，I：簡化模型；II：混合對流模型；III：完整模型灰色虛線表示極貧金屬星SMSS0313-6708的觀測豐度。其中紅色的點為JUNA的結(jié)果。

更具深遠(yuǎn)意義的是，新的反應(yīng)率數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了第一代星的弱超新星爆模型，排除了其他天體模型的可能性。另外，在1000萬攝氏度的溫度環(huán)境下，新反應(yīng)率比之前推薦的大200倍左右，因此對于低溫環(huán)境下的恒星演化必將產(chǎn)生重要影響，等待人們開展進(jìn)一步研究。該工作將為詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡未來觀測目標(biāo)提供可靠的核物理輸入量。

作為JUNA的首批成果之一，該突破反應(yīng)實驗的成功開展證明JUNA全面具備了進(jìn)行深地核天體物理研究的能力。

論文第一作者是北京師范大學(xué)張立勇副教授，第一通訊作者是北京師范大學(xué)何建軍教授、美國圣母大學(xué)M. Wiescher教授和中國原子能科學(xué)研究院柳衛(wèi)平研究員為共同通訊作者。本工作得到了國家自然基金委重大項目和杰青項目等基金的資助。

據(jù)悉，JUNA由中國原子能科學(xué)研究院牽頭，聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學(xué)、清華大學(xué)、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等單位于2020年底深地建成出束。

論文鏈接：

www.nature.com/articles/s41586-022-05230-x

團(tuán)隊故事

中國錦屏地下實驗室，是目前世界上最深的地下實驗室，垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，可將宇宙射線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一。在這里，北師大核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的科研團(tuán)隊，取得了一系列世界領(lǐng)先的原創(chuàng)性成果，實現(xiàn)國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量范圍、最高靈敏度和最低本底環(huán)境。同時，生態(tài)環(huán)境部與北師大共建錦屏極低輻射本底測量聯(lián)合實驗室，開展“人體內(nèi)污染健康評價方法研究”等前沿課題研究 。相信在不久的將來，那道足以劃破核科學(xué)天際的“萬鈞雷霆”，必將為他們所捕獲！

《京師問道》系列科研片，講述教學(xué)科研一線教師潛心立德樹人、勇攀科學(xué)高峰的故事，展示學(xué)校服務(wù)國家戰(zhàn)略的重大科研成果。

來源：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

新華社、中國科學(xué)報、科技日報等

排版：陳寧心

責(zé)任編輯：姜思宇