中外科研人員利用日本R3儲存環(huán)獲得首個(gè)重要物理成果
近日，中國科學(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存環(huán)（Rare-RI Ring, R3），成功測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(huán)得到的第一個(gè)重要的物理成果，于4月15日發(fā)表在Physical Review Letters上。
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)生的場所在科學(xué)界尚無定論，雙中子星合并過程被認(rèn)為是其中一個(gè)可能的場所。
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R-過程中A=122和A=123的元素豐度有最大影響，亟需實(shí)驗(yàn)測量。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)量測量實(shí)驗(yàn)。
RIBF是目前世界上流強(qiáng)最高的放射性束流裝置。R3是繼德國GSI的ESR和中國蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室的CSRe之后，第三個(gè)基于儲存環(huán)的等時(shí)性質(zhì)譜儀。R3是唯一一個(gè)和回旋加速器耦合使用的等時(shí)性質(zhì)譜儀，基于自觸發(fā)單粒子篩選注入技術(shù)，可精準(zhǔn)選擇產(chǎn)生的目標(biāo)核素逐個(gè)注入R3進(jìn)行測量，對低產(chǎn)額、短壽命放射性核素的測量有獨(dú)特的優(yōu)勢。
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)行測量。實(shí)驗(yàn)中共觀測到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(xué)研究所、日本埼玉大學(xué)、筑波大學(xué)、東京大學(xué)核物理研究中心、美國LANL實(shí)驗(yàn)室等單位合作完成。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)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(huán)（Rare-RI Ring） 圖源/日本理化學(xué)研究所
（儲存環(huán)核物理室 供稿）
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