重要核天体反应59Fe(n,g)60Fe截面的实验测量

A large amount of 60Fe, with the half-life of 2.6 million years, are observed in Galaxy and the meteoritic grains on earth, and such 60Fe must be produced recently because their half-life is much shorter than the age of solar system or Galaxy. The 59Fe(n,g)60Fe reaction is considered the key reaction to produce 60Fe in stars, therefore, the experimental study of 59Fe(n,g)60Fe cross section is very important to discuss the stellar nucleosynthesis and the solar close-lying astronomical events. However, such reaction is very hard to be measured directly due to the short half-life of 59Fe, 44.5 days. It is impossible to make 59Fe targets for neutron capture measurements. The only experimental result is Maxwellian averaged cross section (MACS) given by Coulomb dissociation measurement with ~40% uncertainty. In this project, we will measure 56Fe(18O,16O)58Fe and 58Fe(18O,16O)60Fe reactions, determined the aimed 59Fe(n,g)60Fe cross section with surrogate ratio method, and cross-check such important cross section. We have made a benchmark experiment to check the validation of the surrogate ratio method(PRC 94, 015804 (2016)), and measured 95Zr(n,g)96Zr reaction cross sections(ApJ,848:98,2017 October 20).

无论地球上微小的陨石颗粒里还是广袤的银河系中都观测到了大量半衰期仅为260万年的60Fe。由于其半衰期远小于银河系或太阳系的年龄，这些60Fe只能由最近的天体事件中生成。恒星中合成60Fe最关键的反应为59Fe(n,g)60Fe，因而从实验上准确测定其反应截面对于理解60Fe来源以及研究恒星核合成极为重要。由于59Fe的半衰期为44.5天，难以制靶用于直接测量。目前只有库伦裂解法给出的误差约40%的麦克斯韦平均截面(MACS)。由于该反应的重要性，在本项目中，我们将实验测量56Fe(18O,16O)58Fe和58Fe(18O,16O)60Fe反应，利用替代比率法得到更精确的59Fe(n,g)60Fe截面，为这一重要核天体物理反应提供重要的交叉检验。 替代比率法已通过我们之前的实验验证，并已成功应用于s过程重要反应95Zr(n,g)96Zr的研究。

60Fe的半衰期只有260万年，太阳系形成之初存在60Fe早已消耗殆尽，因此地球上异常存在的60Fe引起了科学家们强烈的兴趣。科学家们曾在地球上的深海锰结核矿石、北极雪层、月壤和陨石颗粒中，都发现了丰度较高的60Fe，同时通过发射到太空中的射线望远镜，科学家也大量观测到了银河系银盘中大量源于60Fe衰变子体60Co发射的的γ射线，从而确定60Fe的生成在我们太阳系周围，甚至于整个银河系中都十分活跃。科学家们还判定，地球上发现的60Fe是源于太阳系附近约百万年间的超新星爆发。来到地球或太阳系中的60Fe，就像是恒星爆发前派出的信使，或是其扔出的时光漂流瓶，人们可以通过分析60Fe的丰度、在雪层或者锰结核中的深度分布，解析恒星的质量和爆发时间，从而进一步解析大质量恒星的结构、重元素生成的环境等信息。然而60Fe的产生却并不容易。在大质量恒星中，60Fe主要通过59Fe (n,γ) 60Fe反应生成，但该反应的种子核59Fe半衰期仅为44.5天，59Fe的衰变与中子俘获之间的竞争决定了60Fe能否生成以及生成量。此前虽已有大量工作研究了产生与摧毁60Fe的核衰变与核反应，但由于59Fe的半衰期较短，无法制靶对59Fe (n,γ) 60Fe反应截面进行直接测量，缺乏可靠的实验测量数据，这是研究60Fe生成的主要困难障碍。为了解决这项难题，本项目创新性地采用了(18O,16O)双中子转移反应的替代比率法，首次全要素地间接测量59Fe (n,γ) 60Fe截面，得到了相较于以往研究更为全面可靠的截面。同时根据截面测量结果，本工作还计算了15倍、20倍太阳质量的大质量恒星在爆炸前60Fe的生成情况，为推进60Fe相关研究提供重要的数据支持。