■每周科普 中外科研人員利用日本R3儲(chǔ)存環(huán)獲得首個(gè)重要物理成果

近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的科研人員及合作者利用日本稀少放射性核素儲(chǔ)存環(huán)（Rare-RI Ring, R3），成功測(cè)量了短壽命豐中子核素鈀-123的質(zhì)量，并研究了新的質(zhì)量結(jié)果對(duì)快中子俘獲過程（r-過程）元素豐度的影響。這是基于R3儲(chǔ)存環(huán)得到的第一個(gè)重要的物理成果。

核天體物理研究的一個(gè)核心問題是宇宙中重元素的來源。理論認(rèn)為，宇宙中比鐵更重的元素約有一半是在r-過程中產(chǎn)生的。然而，r-過程發(fā)生的場(chǎng)所在科學(xué)界尚無(wú)定論，雙中子星合并過程被認(rèn)為是其中一個(gè)可能的場(chǎng)所。

原子核質(zhì)量是研究r-過程元素豐度的重要物理輸入量。短壽命豐中子核素質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅為r-過程計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)，而且可以幫助改進(jìn)質(zhì)量模型。然而，由于r-過程涉及大量遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的豐中子短壽命原子核，極難在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生，因此核天體計(jì)算需要的大量核數(shù)據(jù)依賴于模型計(jì)算結(jié)果。

R-過程核數(shù)據(jù)輸入量的敏感性研究指出，鈀-123的質(zhì)量對(duì)r-過程中A=122和123核素的豐度有最大影響，亟需實(shí)驗(yàn)測(cè)量。近期，近代物理所科研人員及合作者在日本理化學(xué)研究所（RIKEN）大科學(xué)裝置放射性束流工廠（RIBF）開展了鈀-123的質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)核由RIBF超導(dǎo)回旋加速器提供的高流強(qiáng)鈾-238初級(jí)束轟擊鈹靶產(chǎn)生，經(jīng)過BigRIPS放射性束流線分離鑒別，傳輸至R3進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中共觀測(cè)到166個(gè)鈀-123離子，得到的質(zhì)量精度達(dá)到了2.3x10-6，與ESR和CSR等時(shí)性質(zhì)譜術(shù)的早期測(cè)量精度相當(dāng)。

基于新的質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究人員使用PRISM反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了雙中子星合并的20個(gè)r-過程路徑，得到A=122和A=123元素豐度比。計(jì)算結(jié)果指出，和基于有限程液滴模型FRDM2012核質(zhì)量數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相比，使用本次實(shí)驗(yàn)質(zhì)量結(jié)果得到的A=122和A=123的r-過程元素豐度比更好地符合太陽(yáng)系r-過程元素豐度的觀測(cè)值。

蘭州日?qǐng)?bào)社全媒體記者 李 丹