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关键天体核反应的间接测量方法研究

2019-02-25

探索物质世界的元素起源、星系的演化以及为演化过程提供能量机制,需要定量研究天体环境中发生的核过程。核过程不仅为恒星照亮宇宙提供能量,也是自然界所有化学元素生成的基础,在大爆炸开始三分钟到恒星寿命终结的宇宙和天体演化过程中起着极其重要的作用。太阳系、地球乃至人类自身都是天体核过程的产物。正如美国科学家卡尔萨根说的“我们来自星际的碎片”。核天体物理学将研究微观世界的核物理与研究宏观世界的天体物理、天文学融合起来,在极小和极大的物质之间架起了一座桥梁,从而阐释恒星乃至宇宙中发生的纷繁复杂的奇妙现象。 

宇宙中存在3种核合成的场所:大爆炸之初的原初核合成,恒星演化阶段的核合成以及宇宙线引发的核反应。为了理解这些核过程,核物理学家将通过理论和实验方法获得的核反应截面、核素寿命作为核物理输入量,借助大型的计算机进行核反应网络计算,模拟演化终结时的元素丰度,并将模拟结果与天文观测结果进行比较,检验和改进天体模型,参见图1所示的流程。通过多次模拟、比较,能够加深人类对天体演化过程的理解。核天体物理是一门令人振奋的重要交叉学科,在国际上一直是物理学的重要研究方向。 

在实验室中测定天体核反应截面是一件相当困难的事。参与天体核反应的核素能量较低(远低于库仑位垒),发生反应的截面极小。直接测量对低能探测技术和本底排除技术有相当高的要求。到目前为止,仅有少数天体核反应能够在实验室中被推进到天体物理感兴趣的伽莫夫能区。为了获取大量天体核反应的截面数据,人们不得不借助于间接测量的手段,通过测量原子核结构的关键参数(核谱因子或共振宽度),结合核反应的模型计算导出天体物理感兴趣的天体物理反应率。 

近年来,中国原子能科学研究院实验核天体物理团队先后承担了国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“放射性核束物理和核天体物理”课题“关键的核天体反应研究”(G2000077406)、国家自然科学基金创新群体项目“元素核合成中的关键科学问题研究”(11021504)、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“原子核稳定性极限的新物理与新技术”课题“平稳和爆发性天体环境下核合成的关键路径研究”(2013CB834406),发展了一系列的间接测量方法,导出了若干关键天体核反应的天体物理S因子和反应率,为大爆炸原初核合成及恒星核燃烧过程的研究作出了贡献。“关键天体核反应的间接测量方法研究”完成单位为中国原子能科学研究院,主要完成人有柳卫平、李志宏、郭冰、白希祥、王友宝、苏俊、李云居、颜胜权。

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