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重磅!锦屏深地核天体物理实验的首个实验成果发布

已有 1647 次阅读 2021-12-20 15:00 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流

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上世纪八十年代以来,科学家们使用太空伽马射线望远镜对银河系进行了大量观测,他们发现一条强度很高、能量为1.809 MeV的伽马射线。科学家们的分析结果表明,这条伽马射线来自银河系星际介质中的26Al核素。26Al基态的寿命约为1百万年,可以通过贝塔衰变或轨道电子俘获生成26Mg的激发态,该激发态会发射1.809 MeV的伽马射线,退激到26Mg的基态。根据这条伽马射线的通量可以估算出银河系星际介质中26Al核素的含量约为太阳质量的3倍,结果让科学家们非常震惊。因为26Al的寿命同太阳系的寿命(46亿年)相比实在是太小了,早期产生的26Al已经消亡殆尽,那么银河系中如此多的26Al是如何又是在哪里产生的呢?

随着科学家对26Al来源之谜研究的深入,人们发现26Al中隐含着更多的宇宙秘密。比如,通过研究太阳系形成初期的26Al丰度,可以揭示触发太阳系形成的“扳机”事件;球状星团曾被认为是研究星系年龄的理想场所,然而一些观测结果却发现其中一些AGB星呈现Mg-Al丰度反关联;宇宙中60Fe和26Al的伽马射线通量比还与恒星生产率直接相关,可以为我们认识太阳系的产生场所提供一个重要约束。总之,星际26Al的来源成为世界核科学研究的热点问题,相关研究面临着激烈的国际竞争。

为在激烈的国际竞争中取得有利地位,锦屏深地核天体物理实验团队选择25Mg(p,γ)26Al反应进行研究。该反应是恒星中产生26Al的关键反应,26Al的几个阈上能级(58,92,189,304 keV)的共振俘获过程对反应率有重要贡献。189和304 keV的共振俘获截面较大,地面设施能够进行高精度的测量。58 keV的共振俘获截面很小,难以直接测量。2020年,研究团队使用一种间接测量方法,获得了58 keV能级的共振强度。当前,25Mg(p,γ)26Al反应的不确定性主要由92 keV的共振俘获决定,对该能级的共振强度和基态分配因子的精确测量能够高精度地给出AGB星环境下25Mg(p,γ)26Al反应的天体物理反应率,从而为解决星际26Al的来源之谜做出贡献。

92keV的共振俘获截面很小,测量相当困难。在地面实验室进行测量时,反应产生的些许效应计数将会淹没在宇宙射线的汪洋大海中,根本无法提取有效数据。意大利的科学家首先把加速器搬到山洞中,利用山体的岩石屏蔽宇宙射线,从而获得了92 keV能级的共振强度和基态分配因子。然而,由于他们的实验室不够深,加速器的束流强度不够高,导致实验结果误差很大,满足不了恒星模型计算要求的精度。

我国的锦屏深地实验室有着得天独厚的屏蔽条件,岩石厚度比意大利多1000米,宇宙射线的强度小两个数量级。我国深地核天体物理团队在国家基金委、中核集团和中国科学院的支持下,成功研制出流强可达10 mA的加速器装置。还建成了几何效率超过90%的BGO伽马探测器阵列,经过冷却后获得国际最高能量分辨。相比国际上的深地实验室,锦屏核天体物理实验装置有如下优势:实验室的本底水平最低,深地加速器的束流强度最大,BGO伽马探测器阵列的能量分辨好。借助这一优势,研究团队在2021年1月1日开始进行92 keV共振俘获反应的测量,经过15天夜以继日的奋战,获得了世界上精度最好的测量结果。如图1所示,实验得到的共振强度误差为8%,基态分配因子的误差为6%,都是世界最精确的实验结果。

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图1. 锦屏实验结果与已有数据的比较 

研究结果表明,在AGB星感兴趣的0.1GK温度下,实验得到的反应率比国际评价结果大2.4倍,这意味着AGB星能产生更多的26Al。该高精度的反应率数据将为研究AGB星的对流模型提高一个很好的约束,也能为解释球状星团的元素丰度分布异常提供重要的数据支撑。

该工作是锦屏深地核天体物理实验的首个实验成果。相关文章以封面形式发表于Science Bulletin 2022年第2期。文章第一单位为中国原子能科学研究院,北京师范大学、中科院近代物理研究所、深圳大学、山东大学等为合作单位。第一作者是苏俊教授,联合通讯作者是李志宏柳卫平研究员。


研究详情请阅读原文▼

Jun Su, Hao Zhang, Zhihong Li, Paolo Ventura, Yunju Li, Ertao Li, Chen Chen, Yangping Shen, Gang Lian, Bing Guo, Xinyue Li, Liyong Zhang, Jianjun He, Yaode Sheng, Yinji Chen, Luohuan Wang, Long Zhang, Fuqiang Cao, Wei Nan, Weike Nan, Gexing Li, Na Song, Baoqun Cui, Lihua Chen, Ruigang Ma, Zhicheng Zhang, Taoyu Jiao, Bingshui Gao, Xiaodong Tang, Qi Wu, Jiaqing Li, Liangting Sun, Shuo Wang, Shengquan Yan, Junhui Liao, Youbao Wang, Sheng Zeng, Ding Nan, Qiwen Fan, Ningchun Qi, Wenliang Sun, Xuyuan Guo, Peng Zhang, Yunhua Chen, Yong Zhou, Jifang Zhou, Jinrong He, Changsong Shang, Mingchuan Li, Jianping Cheng, Weiping Liu. First result from the Jinping underground nuclear astrophysics experiment JUNA: precise measurement of the 92 keV 25Mg(p, γ)26Al resonance. Science Bulletin, 2022, 67(2):125–132




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