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關鍵天體核反應的間接測量方法研究

2019-02-25

探索物質世界的元素起源、星系的演化以及為演化過程提供能量機制,需要定量研究天體環境中發生的核過程。核過程不僅為恒星照亮宇宙提供能量,也是自然界所有化學元素生成的基礎,在大爆炸開始三分鐘到恒星壽命終結的宇宙和天體演化過程中起著極其重要的作用。太陽系、地球乃至人類自身都是天體核過程的產物。正如美國科學家卡爾薩根說的“我們來自星際的碎片”。核天體物理學將研究微觀世界的核物理與研究宏觀世界的天體物理、天文學融合起來,在極小和極大的物質之間架起了一座橋梁,從而闡釋恒星乃至宇宙中發生的紛繁復雜的奇妙現象。 

宇宙中存在3種核合成的場所:大爆炸之初的原初核合成,恒星演化階段的核合成以及宇宙線引發的核反應。為了理解這些核過程,核物理學家將通過理論和實驗方法獲得的核反應截面、核素壽命作為核物理輸入量,借助大型的計算機進行核反應網絡計算,模擬演化終結時的元素豐度,并將模擬結果與天文觀測結果進行比較,檢驗和改進天體模型,參見圖1所示的流程。通過多次模擬、比較,能夠加深人類對天體演化過程的理解。核天體物理是一門令人振奮的重要交叉學科,在國際上一直是物理學的重要研究方向。 

在實驗室中測定天體核反應截面是一件相當困難的事。參與天體核反應的核素能量較低(遠低于庫侖位壘),發生反應的截面極小。直接測量對低能探測技術和本底排除技術有相當高的要求。到目前為止,僅有少數天體核反應能夠在實驗室中被推進到天體物理感興趣的伽莫夫能區。為了獲取大量天體核反應的截面數據,人們不得不借助于間接測量的手段,通過測量原子核結構的關鍵參數(核譜因子或共振寬度),結合核反應的模型計算導出天體物理感興趣的天體物理反應率。 

近年來,中國原子能科學研究院實驗核天體物理團隊先后承擔了國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目“放射性核束物理和核天體物理”課題“關鍵的核天體反應研究”(G2000077406)、國家自然科學基金創新群體項目“元素核合成中的關鍵科學問題研究”(11021504)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目“原子核穩定性極限的新物理與新技術”課題“平穩和爆發性天體環境下核合成的關鍵路徑研究”(2013CB834406),發展了一系列的間接測量方法,導出了若干關鍵天體核反應的天體物理S因子和反應率,為大爆炸原初核合成及恒星核燃燒過程的研究作出了貢獻。“關鍵天體核反應的間接測量方法研究”完成單位為中國原子能科學研究院,主要完成人有柳衛平、李志宏、郭冰、白希祥、王友寶、蘇俊、李云居、顏勝權。

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