現代數學知識雜志。
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南威克 1 劉衛平 1 郭兵 1 連剛 1 何建軍 2 陳陽平 1
1. 中國原子能科學研究院核化學研究所； 2.南京師范大學核科技大學
1.序言
自人類誕生以來，對穹頂星空的探索就從未停止過。 到了唐代社會，好奇心開始驅使人們去觀察和記錄星空中的天文擾動。 但受限于認知水平，這一時期的天文觀測更多地伴隨著強烈的神秘主義。 直到17世紀，伽利略發明第一臺天文望遠鏡，牛頓提出萬有引力，天文觀測才開始進入實證主義時期。 如今，傳統的可見光觀測方式已經擴展為電磁波多波段觀測方式。 借助多波段觀測天體，讓我們對天體有了更全面的認識，大大提高了天文學家獲取宇宙天體信息的能力。 天文學家總結了各種天文現象，并根據不同的體積、質量和溫度等特征定義了天體的類型。 了解天體如何演化，最直接的方法就是了解構成天體的各種元素的比例，以及天體內部元素在不同演化階段的核合成機制。
元素核合成在宇宙中的歷史非常悠久和復雜，目前的相關理論和模型還不能完全解釋這段幾乎與宇宙一樣古老的元素核合成歷史。 例如，重元素的核合成問題，比鐵重的同位素是如何合成的，它們的核反應機理是什么，目前還沒有完全弄清楚。 20世紀初，日本數學天文學會在《發現》雜志上將“從鐵到鈾的同位素是如何形成的”列為本世紀急需解決的11大數學問題之一。 探索宇宙中從鐵到鈾的重元素生成，需要準確檢測天體核合成路徑上關鍵同位素的質量、壽命和相關核反應速率。 這些將宏觀天體化學的研究與微觀世界的核化學研究相結合的交叉學科就是核天體化學。 天核的過程主要分為兩類：爆炸性天體風暴中的劇烈核燃燒、初級核合成和恒星穩定演化階段的核燃燒。 對于爆炸天體波中的αp和rp過程，一些關鍵的核反應截面尚未準確確定。 目前，印度阿貢實驗室ANL和橡樹嶺實驗室ORNL、英國LLN、東京工業大學CNS、中國IMP在這方面做了大量工作； 主要的核過程是平穩的靜態核燃燒（如氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒等）。 大多數這些熱核反應發生在相對高溫、低密度的天體環境中。 相應地，天體化學感興趣的伽莫夫能量（大約幾十到幾百電子伏特）遠高于庫侖勢壘能量（幾兆電子伏特）。 因此，這種熱核反應的截面極小，持續時間很長，它們的反應截面決定了恒星的壽命和最終的演化歸宿。 隨著能量的增加，這個核反應的截面幾乎呈指數增長，伽莫夫峰附近的截面僅僅從皮靶到費靶，相當于上百億次碰撞才形成一次核反應。 在地面實驗室條件下，由于宇宙射線造成的背景太大（噪聲太差），無法準確檢測到該反應的截面。 作為替代方案，人們利用在高能區域觀察到的截面與能量之間的函數關系來外推低能區域的反應截面，但這些外推往往導致模型偏差較大。 由于巖層對宇宙射線有屏蔽作用，將實驗室移至極深的地下可以大大降低宇宙射線造成的背景，從而獲得更準確的探測結果。 當今核天體化學的許多實驗研究都在嘗試采用這些技術。 下面將詳細介紹國外外核天化研究的現狀，并介紹我國錦屏深地幔天化實驗（JUNA）平臺上一些關鍵核天化反應的進展，并探討JUNA的未來計劃。簡要展望。
2. 中國錦屏地下實驗室
2009年，復旦大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂合同，由我公司承建錦屏水電站交通隧道，改造我國第一個超深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室（CJPL） ). 2010 年 12 月完成。
錦屏交通隧道豎向圍巖最厚段全長2.4公里，是世界上圍巖最厚的地下隧道。 一。 而且洞內巖層主要為大理石，放射性本底極低。 錦屏隧道的建成為我國地下實驗室建設提供了良好條件。 表1是中國錦屏地下實驗室與美國格蘭薩索地下實驗室巖層覆蓋長度和μ介子本底水平的對比。 就宇宙射線μ子本底而言，中國錦屏地下實驗室比美國的格蘭薩索實驗室低兩個數量級。 另一方面，作為一個隧道式的地下實驗室，開車可以直達實驗場地，比在煤礦里建地下實驗室方便多了。 但錦屏隧道周邊配套工作、生活設施完備，是世界上綜合條件最好的一極。 地下深處的實驗場。
表1 比利時格蘭薩索地下實驗室與中國錦屏地下實驗室及地面本底水平對比
依托中心綜合性重大基礎科學和應用科學研究平臺，逐步開展暗物質探測研究、中微子化學和核天體化學實驗研究。 這些重大基礎前沿研究的舉辦，促進了我國極低背景重大基礎前沿研究的良好發展勢頭。
3. 錦屏深部地幔天化實驗平臺
在地下核天體化學實驗研究方面，奧地利格蘭薩??索地下實驗室的LUNA團隊在全球仍處于領先地位。 經過近30年的努力，LUNA團隊在伽莫夫能區直接探測到了恒星質子鏈和碳氮氧（CNO）循環中一些關鍵核反應的反應截面。 核合成與宇宙學形成了重要的影響。
近年來，中國還制定了深地探測核天化相關數據的計劃。 由中國原子能科學研究院牽頭，中國科學技術大學現代數學研究所、沉陽師范大學、河北大學、湖南大學、復旦大學共同參與的錦屏深部地幔天體化學實驗成功舉辦. 在國家自然科學基金重大項目等基金的支持下，研究團隊借助自主研發的永磁ECR離子源和高壓平臺，搭建了大電流低能加速器。環境本底極低的錦屏深度實驗室。 該光束將于2020年底發布，光束硬度將達到2.1mA，是國際同類器件光束硬度的兩倍以上。 結合高能可分辨BGO伽馬射線探測陣列和中子探測器陣列，成為國際先進的錦屏深部地幔天體化學實驗平臺（JUNA），如圖1所示。
圖1 中國錦屏地下實驗室二期布局圖
本平臺開展了以下實驗課題的研究：
(1) 12C(α,γ)16O課題。 研究宇宙中碳和氧的形成是核天體化學的前沿問題之一。 這種元素產量的測定有助于我們了解月球上生命的出現和恒星的生命周期。 雖然宇宙中幾乎所有類型的核反應環境都受到碳和氧的影響，但影響碳氧產率的12C(α,γ)16O反應多年來一直沒有得到精確研究。 12C(α,γ)16O反應截面不是由單一組分貢獻的（例如一個甚至幾個窄共振），而是從幾個特別細微的寬共振的干涉和非共振組分的疊加開始的. 由于沒有直接檢測伽莫夫窗能區的反應截面，以往只能根據高能點數據的理論外推和間接檢測結果進行簡單預測。 由于理論模型和外推的偏差研究實驗室天體物理的意義，12C(α,γ)16O反應截面仍未達到天化網估計的10%精度要求。
在 JUNA 上，使用高硬度 4He2+ 離子束在 Gamma 窗口附近直接檢測 12C(α,γ)16O 反應截面，為外推模型提供更好的約束。 實驗團隊開發了核素純 12C 注入靶材以減輕 13C 干擾。 BGO和LaBr3探測器陣列可以顯著提高γ射線的探測效率（BGO在點火數極限下，當Eγ=8MeV時，絕對效率為30%），并采用反重合的方式減少束流目前的誘導背景，示意圖如圖2所示。由于加速器和靶雜質誘導背景比我們預期的要高，數據的分析還在進行中，預計這個反應的上限在伽馬附近窗口可以外推。
圖2 檢測器設置示意圖
(2) 13C(α,n)16O課題。 對于質量數小于鐵的重同位素，大約一半是通過慢中子脈沖 (s-) 過程合成的。 為了深入研究這個過程，有必要研究涉及中子源的反應。 13C(α,n)16O反應是漸近球狀分支和富碳貧金屬星中s-過程和i-過程（中子脈沖過程）的主要中子源。 相關的核天體化學溫度為0.1～0.3GK，對應的質能（Ec.m.）為150～。 即使通過實驗探測到了更高能量的實驗點，但高于Ec.m.~的截面數據一直依賴于理論外推，存在較大偏差。 由于該反應的橫截面極低（在 Ec.m.= 時約為 10-14b），因此直接檢測特別具有挑戰性。
實驗使用了JUNA平臺提供的最強α束流研究實驗室天體物理的意義，借助厚靶技術大大降低了因靶厚導致的系統偏差。 檢測到的能量范圍從最低的實驗能量Ec.m.=0.24MeV到0.59MeV，幾乎覆蓋了整個i- Gamow窗口，精度最高。 還進行了 R 矩陣分析，為 s 過程核合成提供了可靠的反應速率，同時降低了不確定性。
(3) 25Mg(p,γ)26Al課題。 長壽命放射性核26Al，半衰期達72萬年，在伽馬射線觀測、隕石顆粒研究、早期太陽系組成、大質量恒星演化等方面具有重要作用。 只有通過天文望遠鏡，我們才能在天空中觀測到大量源自 26Al 衰變的 1. γ 射線。 通過檢測1.伽馬射線的通量，可知銀河系中26Al的濃度為3.0個太陽質量。 觀測結果是檢驗元素核合成模型的重要手段。 此外，60Fe/26Al屈強比對理解太陽在銀河系中的形成位置有很強的制約作用，也帶有超新星爆炸動力學的間接信號。 26Al主要由25Mg(p,γ)26Al反應生成。 當天體溫度在0.1GK左右時，25Mg(p,γ)26Al反應截面以92keV共振過程為主。 對于這種反應的檢測，由于其橫截面極低，地面檢測只加速到。
在JUNA平臺上，研究團隊準確檢測到25Mg(p,γ)26Al在92keV的共振響應。 確定其共振硬度和能級缺相系數分別為（3.8±0.3）×10-10eV和0.66±0.04，在偏差范圍內與原始LUNA地下直接探測結果一致，但不確定性顯著更小，如圖3所示。 為此，我們推薦新的 25Mg(p,γ)26Al 核反應速率比數據庫在 0.1 GK 左右的水溫下采用的值大 2.4 倍。 新的結果表明，大質量恒星的Mg-Al循環中應該形成更多的26gAl，這對于理解星際26Al之謎具有重要意義。
圖3 實驗得到的25Mg(p,γ)的共振硬度和26Al能級的分配因子
(4) 19F(p,α)16O 課題。 穩定同位素 19F 既不參與也不形成恒星中發生的主要核反應。 恒星光譜分析表明，恒星中的 19F 極其有限。 這也使得 19F 成為輕同位素中了解最少的一個。 天文觀測表明，許多紅色行星的氟生成速度大于太陽系，這就是所謂的氟過剩問題。 與II型核坍縮超新星中20Ne的中微子散裂形成氟元素相比，漸近巨星被認為是銀河系中最重要的氟元素貢獻者，天文觀測中的氟過剩問題難以解釋與標準 AGB 明星模型。 為解決這一難題，從核化學的角度出發，需要對所有涉及氟生成和破壞的核反應截面進行精確的實驗檢測，從而為天體化學核合成模型提供可靠的核反應速率數據。 研究表明，19F(p,α)16O反應是氟的重要破壞反應通道之一。
19F(p,α)16O 反應涉及三個不同的通道，(p,α0)、(p,απ) 和 (p,αγ)。 在0.05GK時，(p,απ)反應通道的貢獻最多為10%，其他溫度下可忽略不計； (p,αγ) 通道在 T>0.2GK 時起主要作用，但它可能完全決定 T
作為國際天文學大會的焦點報道，金平深部地幔天體化學實驗的進展被日本《科學》雜志報道。 標志著我國深部地幔天體化學研究能力進入國際先進行列。
四、總結與展望
總的來說，目前25Mg(p,γ)26Al實驗92keV共振硬度的檢測獲得了國際上最大的曝光量和最好的檢測精度； 19F(p,α)16O實驗結果覆蓋Gamma Fu能量窗，得到Ec.m.≈(72.4-188.8)keV的S因子，已被國際頂級數學期刊《 》發表》，并入選編輯推薦成果； 在 13C(α,n)16O 亞源反應中實現了世界上最廣的能量覆蓋，覆蓋了核天體化學過程的伽莫夫能量窗； 12C(α,γ)16O圣杯反應達到了世界上最高的靈敏度，成果應邀在國際核天體化學會議上報告（見表2）。 此外，核天體化學的多項相關研究也取得了重要成果。
表2 JUNA測試結果與以往數據對比（斜體為最優值）
目前，中國錦屏地下實驗室已經在暗物質探測、恒星演化關鍵核反應截面探測等方面取得重要成果。 核天化研究團隊也在積極籌備JUNAⅡ的舉辦。 研究內容包括漸近星支中子源反應22Ne(α,n)25Mg、12C+12C聚變反應和圣杯反應12C(α,γ)16O等更具挑戰性的核天體化學幾個關鍵核反應在伽莫夫窗口直接檢測反應截面。 因此，JUNA II計劃將進一步提高加速器束流硬度，研制中壓級大電流加速器、新型無窗二氧化碳靶，并搭建日益成熟的基礎設施和實驗運行平臺。 實驗結果有望對理解天體演化和元素核合成產生深遠影響。 全世界數學家的目光都聚焦在中國。
本文選自《現代數學知識》2022年第5期。
結尾