中外科研人員利用日本R3儲存環獲得首個重要物理成果

  

  近日,中國科學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存環(Rare-RI Ring, R3),成功測量了短壽命豐中子核素鈀-123的質量,并研究了新的質量結果對快中子俘獲過程(R-過程)元素豐度的影響。這是基于R3儲存環得到的第一個重要的物理成果,于4月15日發表在Physical Review Letters上。 

  核天體物理研究的一個核心問題是宇宙中重元素的來源。理論認為,宇宙中比鐵更重的元素約有一半是在R-過程中產生的。然而,R-過程發生的場所在科學界尚無定論,雙中子星合并過程被認為是其中一個可能的場所。 

  原子核質量是研究R-過程元素豐度的重要物理輸入量。短壽命豐中子核素質量的實驗數據不僅為R-過程計算提供可靠數據,而且可以幫助改進質量模型。然而,由于R-過程涉及大量遠離穩定線的豐中子短壽命原子核,極難在實驗室產生,因此核天體計算需要的大量核數據依賴于模型計算結果。   

  R-過程核數據輸入量的敏感性研究指出,鈀-123的質量對R-過程中A=122A=123元素豐度有最大影響,亟需實驗測量。近期,近代物理所科研人員及合作者在日本理化學研究所(RIKEN)大科學裝置放射性束流工廠(RIBF)開展了鈀-123的質量測量實驗。 

  RIBF是目前世界上流強最高的放射性束流裝置。R3是繼德國GSIESR和中國蘭州重離子加速器國家實驗室的CSRe之后,第三個基于儲存環的等時性質譜儀。R3是唯一一個和回旋加速器耦合使用的等時性質譜儀,基于自觸發單粒子篩選注入技術,可精準選擇產生的目標核素逐個注入R3進行測量,對低產額、短壽命放射性核素的測量有獨特的優勢。 

  實驗中,目標核由RIBF超導回旋加速器提供的高流強鈾-238初級束轟擊鈹靶產生,經過BigRIPS放射性束流線分離鑒別,傳輸至R3進行測量。實驗中共觀測到166個鈀-123離子,得到的質量精度達到了2.3x10-6,與ESRCSR等時性質譜術的早期測量精度相當。 

  基于新的質量數據,研究人員使用PRISM反應網絡模型計算了雙中子星合并的20個R-過程路徑,得到A=122A=123元素豐度比。計算結果指出,和基于有限程液滴模型FRDM2012核質量數據得到的結果相比,使用本次實驗質量結果得到的A=122A=123的R-過程元素豐度比更好地符合太陽系R-過程元素豐度的觀測值。 

  該工作由中科院近代物理所、日本理化學研究所、日本埼玉大學、筑波大學、東京大學核物理研究中心、美國LANL實驗室等單位合作完成。   

  該研究得到了國家自然科學基金面上項目(No.11975280)的支持。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.152701  

   

  圖:日本稀少放射性核素儲存環(Rare-RI Ring) 圖源/日本理化學研究所 

 

(儲存環核物理室  供稿)

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