近日，中國原子能科學(xué)研究院與北京師范大學(xué)、美國圣母大學(xué)、南方科技大學(xué)、錦屏深地前沿科學(xué)及暗物質(zhì)四川省重點實驗室、西安交通大學(xué)合作，對¹²C+¹²C(碳-碳)熔合反應(yīng)的天體物理S因子開展實驗研究，在國際上首次通過逆運動學(xué)厚靶方法，實現(xiàn)復(fù)合核²⁴Mg*(處于激發(fā)態(tài)的鎂-24)全衰變道的實驗研究，為¹²C+¹²C熔合反應(yīng)研究貢獻關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)，向解開長期困擾核天體物理學(xué)家的¹²C+¹²C熔合反應(yīng)問題邁出重要一步。研究結(jié)果在國際物理學(xué)知名期刊Physics Letters B (《物理快報B》)發(fā)表，文章第一作者為原子能院博士研究生南威克，通訊作者為原子能院研究員王友寶、柳衛(wèi)平，北京師范大學(xué)研究員蘇俊。

¹²C+¹²C熔合反應(yīng)在大質(zhì)量恒星演化、Ia型超新星爆發(fā)、超級X-射線暴(簡稱超暴)等諸多天體事件中起到關(guān)鍵作用。這種融合反應(yīng)發(fā)生在一個特殊的核天體能量窗口——伽莫夫窗口，這里反應(yīng)概率雖然很小，卻可以決定恒星的最終命運。因此，¹²C+¹²C 熔合反應(yīng)與²C(a, g)¹⁶O 圣杯反應(yīng)、¹³C(a, n)16O中子源反應(yīng)，被認(rèn)為是核天體物理領(lǐng)域最重要的三個反應(yīng)。可以說，¹²C+¹²C熔合反應(yīng)是理解宇宙演化的一把關(guān)鍵鑰匙。

然而，由于¹²C+¹²C熔合反應(yīng)具有能級密度高、能級結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，大量直接測量實驗都無法給出伽莫夫窗口能區(qū)的天體物理S因子和反應(yīng)率，因此科學(xué)家亟需探索新的實驗方法以獲得¹²C+¹²C熔合反應(yīng)關(guān)鍵信息。

研究團隊使用的實驗裝置效果圖

在此次研究中，原子能院核天體物理創(chuàng)新團隊與串列加速器運行團隊高度協(xié)作，利用HI-13串列加速器，采用²³Na+p(鈉-23與質(zhì)子反應(yīng))厚靶逆運動學(xué)方法，對¹²C+¹²C熔合反應(yīng)相關(guān)的復(fù)合核²⁴Mg*進行核能級性質(zhì)的研究，并基于對²⁴Mg*衰變發(fā)射的γ射線、質(zhì)子、α粒子的同時測量，實現(xiàn)了γ-p、γ-α符合譜學(xué)，成功鑒別出相關(guān)基態(tài)、激發(fā)態(tài)，以及發(fā)射α粒子的不同衰變道。研究團隊獲得了相關(guān)反應(yīng)道的激發(fā)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合核²⁴Mg*有關(guān)激發(fā)能區(qū)復(fù)雜的共振能級結(jié)構(gòu)，提取了復(fù)合核詳細的共振參數(shù)，并成功給出了¹²C+¹²C熔合反應(yīng)的天體物理S因子及其不確定度范圍。

實驗得到的天體物理S因子與其它來源的數(shù)據(jù)比較

此研究獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中核集團核技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合基金、中核集團人才科學(xué)基金、財政部穩(wěn)定支持研究經(jīng)費等項目支持。

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