神仙故事里的“點(diǎn)石成金”，大家一定很向往吧!雖然源于傳說，可“點(diǎn)石成金”并非奇談?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這種現(xiàn)象不僅在宇宙中真實(shí)存在，而且構(gòu)建了我們身處的這個(gè)多彩世界的元素基礎(chǔ)。

自然界中為什么會(huì)存在這么多比鐵重的元素?人見人愛的金、銀、鉑，是從哪來的?這些問題的答案，都離不開宇宙中的“點(diǎn)石成金”術(shù)——中子俘獲過程。而我們今天要說的中子，就是驅(qū)動(dòng)這個(gè)重要過程的魔法炮彈。

自上世紀(jì)五十年代起，科學(xué)家們開始研究恒星中的中子來源問題。他們試圖通過研究星體內(nèi)部重要中子源反應(yīng)比如[13C(α,n)16O]的反應(yīng)率，來了解星體生產(chǎn)“金子”的能力。 然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的局限，13C(α,n)16O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)始終存在較大分歧，無法為天體模型提供可靠數(shù)據(jù)。

在2022年9月23日發(fā)表于《物理評論快報(bào)》上的一篇論文中，中國錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)(JUNA)研究團(tuán)隊(duì)通過直接測量，提供了該反應(yīng)目前最精確的反應(yīng)率數(shù)據(jù)，澄清了此前國際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間數(shù)倍的分歧。這對于幫助我們理解宇宙中超鐵元素的起源及豐度問題，無疑具有重要意義。

圖 恒星中子源反應(yīng)13C(α,n)16O地下實(shí)驗(yàn)測量藝術(shù)效果圖。圖源| 近代物理所

如何點(diǎn)石成金?

宇宙中豐富多彩的星球和元素，是經(jīng)歷了漫長的演化而形成的。最初的宇宙非常單調(diào)而枯燥，只含有氫、氦和少量的鋰。隨著第一代恒星的出現(xiàn)，宇宙中的氫和氦通過星體內(nèi)部的燃燒(熱核聚變反應(yīng))，合成了從碳到鐵的各種較輕的元素。然而，因?yàn)殍F的結(jié)合能最大、原子核最穩(wěn)定，合成至鐵元素后，燃燒便無法繼續(xù)下去了。那么，我們的地球上還存在著眾多比鐵重的元素，它們是如何產(chǎn)生的呢?當(dāng)?shù)谝淮阈窃诤诵膶⑷剂先紵M之后，繼而發(fā)生引力坍塌，最終引發(fā)著名的超新星爆發(fā)，一下子把畢生功力所合成的各種元素幾乎全部拋灑到太空?？茖W(xué)家們把這些原子核(例如鐵-56)稱為“種子”核素。20世紀(jì)50年代，天體物理學(xué)家Burbidge夫婦、Fowler、Hoyle(B2FH)和Cameron等根據(jù)太陽系原子核豐度的觀測結(jié)果和原子核的殼模型，分別提出了宇宙中“讓鐵變成金的魔術(shù)”——中子俘獲過程。他們認(rèn)為，要將種子核素變成更重的核素，只需兩個(gè)步驟：吸收中子變成不穩(wěn)定核素，發(fā)生β衰變;再吸收中子，再β衰變......如此循環(huán)往復(fù)，就能合成一系列比鐵更重的元素，即超鐵元素。根據(jù)時(shí)間尺度，中子俘獲過程可分為慢中子俘獲過程(slow-過程，簡稱s-過程)和快中子俘獲過程(rapid-過程，簡稱r-過程)。s-過程十分緩慢，它發(fā)生在中子密度較低的星體環(huán)境中，每捕獲一個(gè)中子可能需要幾千甚至上萬年，整個(gè)過程可持續(xù)上百萬年，甚至更長;而r-過程則是爆發(fā)性的，所在的星體環(huán)境中子密度要高的多，但整個(gè)過程只能持續(xù)1~2秒，甚至更短。綜合來看，二者不相伯仲，對宇宙中超鐵元素豐度的貢獻(xiàn)基本上是平分天下的態(tài)勢。不過，科學(xué)家們感覺還不滿意，既然有快慢之分，憑什么就不能有“中等速度”的中子俘獲過程呢?所以，物理學(xué)家還提出了i-過程(intermediate-過程)。隨著觀測能力的提升，人們發(fā)現(xiàn)i-過程可以成功地解釋一些古老恒星元素豐度，可能是宇宙早期古老恒星中“點(diǎn)石成金”的重要過程。

圖 恒星中通過慢中子俘獲過程把鐵變成金的過程 圖| 高丙水

這樣，自然界中存在的所有元素便有了合理的解釋。但對于科學(xué)家們來說，他們只獲得了大致的圖景，這其中還有許多科學(xué)問題人類知之甚少，比如：s-和i-過程的中子是從哪來的?

中子的來源

在宇宙的“點(diǎn)石成金”過程中，中子就像驅(qū)動(dòng)這個(gè)過程的魔法炮彈。沒有中子，談什么“中子俘獲”過程呢!可中子，又是從哪來的呢?1954年，Cameron和Greenstein提出，s-過程主要的中子來源之一是恒星中的13C(α,n)16O反應(yīng)(另外一個(gè)重要來源是22Ne(α,n)25Mg反應(yīng))。這個(gè)反應(yīng)式表示的意思是：一個(gè)碳-13原子核吸收一個(gè)α粒子(氦-4原子核)，放出一個(gè)中子(n)，形成氧-16原子核。這個(gè)反應(yīng)主要發(fā)生在漸進(jìn)紅巨星分支(AGB星，五十億年后的太陽將變成這種星體)中。這里既有充足的碳-13和α粒子，也有合適的溫度(9千萬度以上)讓它們發(fā)生反應(yīng)釋放中子，也是s-過程發(fā)生的主要場所。最近的天體模型研究表明，在古老恒星中，13C(α,n)16O反應(yīng)可以在更高的溫度燃燒，為i-過程提供所需的中子。

圖 AGB星中的中子產(chǎn)生過程。13C(α,n)16O反應(yīng)主要發(fā)生在AGB星中的氫與氦的燃燒殼層之間，這里的溫度大約為9千萬度。圖| 高丙水

地面實(shí)驗(yàn)的局限性

為了更加深入地研究s-和i-過程，科學(xué)家還需要知道13C(α,n)16O反應(yīng)的反應(yīng)速率究竟有多快，因?yàn)檫@直接決定了中子俘獲過程的中子產(chǎn)額和通量，從而決定了可以合成出多少“金子”。而要想精確計(jì)算恒星中的核反應(yīng)速率，必須找準(zhǔn)特定的能量區(qū)域——“伽莫夫窗口”。s-和i-過程中，發(fā)生13C(α,n)16O反應(yīng)的伽莫夫窗口分別位于0.19和0.35 MeV附近的能量區(qū)域?？墒?，位于伽莫夫窗口的反應(yīng)截面極低。以s-過程為例，如果用2萬億億個(gè)α粒子轟擊碳-13同位素，才有1個(gè)反應(yīng)發(fā)生。這簡直是魔鬼窗口!因此，長期以來，對該反應(yīng)截面的直接測量是核天體物理領(lǐng)域的一大疑難問題，被列為該領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。自上世紀(jì)五六十年代起，科學(xué)家們對這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測量，已在高能區(qū)(0.3 MeV 以上)積累了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，由于地面測量無法繼續(xù)推進(jìn)到伽莫夫窗口，導(dǎo)致不同測量結(jié)果之間存在數(shù)倍的分歧，誤差極大，完全不能滿足天體模型計(jì)算對該反應(yīng)速率的精度要求。在20世紀(jì)80年代，比利時(shí)年輕的理論家Descouvemont指出，伽莫夫窗口的反應(yīng)截面被一個(gè)非常低能的共振所主宰，只有把測量推進(jìn)到0.3MeV以下能區(qū)，才能真正看到這個(gè)重要成分的存在。這可給核物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家出了一個(gè)大難題。中國原子能科學(xué)研究院等多個(gè)團(tuán)隊(duì)先后嘗試使用了一些間接方法來確定這個(gè)成分的貢獻(xiàn)，但是他們得到的結(jié)論仍存在較大分歧。

圖 地面實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果無法推進(jìn)到伽莫夫窗口，誤差大且有分歧。數(shù)據(jù)源| 取自文獻(xiàn)[3-6])

征服伽莫夫能區(qū)

如何在伽莫夫能區(qū)實(shí)現(xiàn)精確測量呢?擺在科學(xué)家面前最大的挑戰(zhàn)來自于宇宙射線造成的本底干擾。無孔不入的宇宙射線會(huì)在探測裝置上產(chǎn)生大量中子，使本就稀有的核反應(yīng)事例被淹沒在如汪洋大海般的本底中。為了屏蔽宇宙射線，開展深地實(shí)驗(yàn)研究已成為必然趨勢。宇宙射線在穿透山體時(shí)會(huì)損失一部分粒子，只要山頭足夠高，屏蔽宇宙射線不是問題!2021年，意大利科學(xué)家(LUNA合作組)利用1400米厚的山體巖石屏蔽宇宙射線，率先突破地面實(shí)驗(yàn)中的0.3 MeV能量下限，這無疑是13C(α,n)16O反應(yīng)截面測量中一個(gè)里程碑式的巨大進(jìn)步。但是他們的加速器只能覆蓋0.23-0.3MeV的狹窄能區(qū)，仍然無法解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分歧。從2015年開始，JUNA合作組同樣把目標(biāo)瞄準(zhǔn)了這一反應(yīng)。JUNA團(tuán)隊(duì)利用清華大學(xué)與二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司在四川省涼山州建設(shè)的目前世界最深的錦屏深地實(shí)驗(yàn)室(埋深2400米)，將中子本底降低了數(shù)百倍，為實(shí)驗(yàn)提供了極低的本底環(huán)境;歷經(jīng)7年努力，團(tuán)隊(duì)還自主研制了世界上α束流最強(qiáng)的地下加速器裝置——錦屏深地加速器，是以往實(shí)驗(yàn)束流強(qiáng)度的20倍以上，大幅提升了中子產(chǎn)額，使極小截面的測量工作如虎添翼;利用多電荷態(tài)粒子源，錦屏深地加速器首次成功地覆蓋了i-過程能區(qū)，為解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)分歧提供了必要條件。

圖 錦屏深地實(shí)驗(yàn)室為反應(yīng)測量提供極低本底環(huán)境 圖源| JUNA

依托上述條件，由中科院近代物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、四川大學(xué)等單位組成的JUNA團(tuán)隊(duì)中子源反應(yīng)項(xiàng)目組成功地將13C(α,n)16O反應(yīng)截面推進(jìn)到0.24 MeV。隨后他們又把探測器從深地實(shí)驗(yàn)室里搬到四川大學(xué)的串列加速器上，把測量能量范圍向上推到1.9 MeV。該研究在0.24-1.9MeV能量范圍內(nèi)獲得了一套完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幾乎覆蓋了i-過程的伽莫夫窗口(0.2-0.54 MeV)，為理論外推到s-過程的伽莫夫窗口提供了目前最精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 錦屏深地實(shí)驗(yàn)及四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)測量為13C(α,n)16O反應(yīng)在天體物理能區(qū)提供目前最精確數(shù)據(jù)。圖源| JUNA這項(xiàng)研究澄清了此前國際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間數(shù)倍的分歧，驗(yàn)證了中國原子能科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)的間接測量方法的有效性。著名核天體物理學(xué)家、北京航空航天大學(xué)的Kajino教授這樣評價(jià)：“該研究提供了目前13C(α,n)16O反應(yīng)截面最精確的數(shù)據(jù)，為發(fā)展i-過程和s-過程核合成的天體物理模型及構(gòu)建超鐵元素演化的新圖景提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

結(jié)語

超鐵元素的起源問題，是21世紀(jì)物理未解之謎，也是核天體物理研究的核心目標(biāo)。半個(gè)多世紀(jì)以來，幾代科學(xué)家圍繞這個(gè)基本的科學(xué)問題開展了不懈的研究，但迄今仍存在許多亟待破解的科學(xué)難題。從上世紀(jì)90年代開始，意大利LUNA合作組利用地下加速器裝置研究星體內(nèi)部的重要核反應(yīng)，引領(lǐng)該領(lǐng)域約30年。在國家的大力支持下，中國JUNA團(tuán)隊(duì)于2015年正式成立。深地實(shí)驗(yàn)室和強(qiáng)流加速器的建設(shè)，為我國核天體物理研究提供了前所未有的機(jī)遇。JUNA團(tuán)隊(duì)奮起直追，取得了一系列重要成果，展現(xiàn)了“中國效率”。雖然新的研究讓人興奮，但對于物理學(xué)家來說，“點(diǎn)石成金”的研究依然任重道遠(yuǎn)。未來，JUNA團(tuán)隊(duì)和LUNA團(tuán)隊(duì)還將開展22Ne(α,n)25Mg等重要中子源反應(yīng)研究，為破解核天體物理難題、探索宇宙中的元素起源做出貢獻(xiàn)。