科學(xué)家成功測量短壽命豐中子核素鈀-123質(zhì)量

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)得到的第一個重要的物理成果，于4月15日發(fā)表在《物理評論快報》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(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)量的實驗數(shù)據(jù)不僅為r-過程計算提供可靠數(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，極難在實驗室產(chǎn)生，因此核天體計算需要的大量核數(shù)據(jù)依賴于模型計算結(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(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)量測量實驗。

RIBF是目前世界上流強(qiáng)最高的放射性束流裝置。R3是繼德國亥姆霍茲重離子研究中心(GSI)的實驗儲存環(huán)(ESR)和中國蘭州重離子加速器國家實驗室的冷卻儲存環(huán)實驗環(huán)(CSRe)之后，第三個基于儲存環(huán)的等時性質(zhì)譜儀。R3是唯一一個和回旋加速器耦合使用的等時性質(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特的優(yōu)勢。

實驗中，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)過放射性束流線分離鑒別，傳輸至R3進(jìn)行測量。實驗中共觀測到166個鈀-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)，研究人員使用反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算了雙中子星合并的20個r-過程路徑，得到A=122和A=123元素豐度比。計算結(jié)果指出，和基于有限程液滴模型核質(zhì)量數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相比，使用本次實驗質(zhì)量結(jié)果得到的A=122和A=123的r-過程元素豐度比更符合太陽系r-過程元素豐度的觀測值。(作者：劉如楠 甘曉 )

標(biāo)簽： 短壽命豐中子核素 質(zhì)量模型 質(zhì)量測量實驗