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中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室。北京師范大學(xué)教授何建軍團(tuán)隊(duì)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(cè)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(guó)科學(xué)報(bào)、科技日?qǐng)?bào)等主流媒體對(duì)這一成果進(jìn)行了報(bào)道。

2014年，澳大利亞天文學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到一顆宇宙中迄今最古老的紅巨星。它的鈣元素起源問(wèn)題至今仍然是一個(gè)謎。天體理論認(rèn)為，這些鈣元素可能來(lái)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(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從世界最深的實(shí)驗(yàn)室窺探宇宙的奧秘

團(tuán)隊(duì)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(gè)新的共振。

JUNA測(cè)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(kù)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(gè)數(shù)量級(jí)縮小至50%左右，極大降低了該反應(yīng)率在天體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中所引起的誤差。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(jì)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(cè)到的鈣豐度問(wèn)題。

天體物理模型計(jì)算的第一代星中鈣的豐度。其中，I：簡(jiǎn)化模型；II：混合對(duì)流模型；III：完整模型灰色虛線表示極貧金屬星SMSS0313-6708的觀測(cè)豐度。其中紅色的點(diǎn)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(wàn)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(duì)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(lái)觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(guó)圣母大學(xué)M. Wiescher教授和中國(guó)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(guó)家自然基金委重大項(xiàng)目和杰青項(xiàng)目等基金的資助。

據(jù)悉，JUNA由中國(guó)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(duì)故事

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)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(wàn)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(duì)，取得了一系列世界領(lǐng)先的原創(chuàng)性成果，實(shí)現(xiàn)國(guó)際核天體物理直接測(cè)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(shí)，生態(tài)環(huán)境部與北師大共建錦屏極低輻射本底測(cè)量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，開展“人體內(nèi)污染健康評(píng)價(jià)方法研究”等前沿課題研究 。相信在不久的將來(lái)，那道足以劃破核科學(xué)天際的“萬(wàn)鈞雷霆”，必將為他們所捕獲！

《京師問(wèn)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(guó)家戰(zhàn)略的重大科研成果。

來(lái)源：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

新華社、中國(guó)科學(xué)報(bào)、科技日?qǐng)?bào)等

排版：陳寧心

責(zé)任編輯：姜思宇