对新星和X射线爆过程中的关键核反应的实验研究

在本基金的支持下，将对发生在新星和X射线爆过程中的两个关键核反应进行实验研究。相关的天体物理反应是14O(a,p)17F和18Ne(a,p)21Na,它们被认为是从热的CNO循环（HCNO）中突破出来进入到rp过程的两个非常关键的反应。实验是基于一个发展得比较成熟的技术基础之上的，也就是通过17F+p和21Na+p的共振弹性及非弹性散射来测定其复合核18Ne和22Mg中非束缚态能级的共振特性（能级能量，自旋宇称，衰变宽度，非弹性散射分支比等），从而计算出上述反应的天体物理反应率。另外，我们也会对21Na(p,a)18Ne反应进行反应截面的直接测量，从而可以消除间接测量所带来的不确定性。人们一直以来对这类突破过程（breakout process）反应率的研究都持有非常浓厚的兴趣，因为这对于人们理解rp路径上核素合成及其在恒星爆炸物中的分布情况都具有非常重要的意义。

在本自然基金面上项目（10975163）的大力支持下，课题团队对申请书的两个关键核天体反应14O(a,p)17F和18Ne(a,p)21Na进行了实验研究。这两个反应是发生在新星和X射线暴热核燃烧过程中核素从热CNO循环中突破出来进入到快质子俘获rp过程非常关键的反应。测定其核反应率对于理解rp路径上能量产生、核素合成等问题都具有非常重要的意义。基于成熟的技术，通过17F+p和21Na+p的共振弹性及非弹性散射测定了相应复合核18Ne和22Mg非束缚态能级的共振特性，计算出了天体物理反应率。 第一个实验是在中科院近代物理所的放射性束装置RIBLL1上完成的。利用逆反应动力学方法，通过17F+p共振弹性散射对复合核18Ne共振态能级的性质进行了研究。观测到了18Ne核激发能在7.05 MeV处的一个双峰结构，首次指定这一双峰结构为：7.05 MeV(Jpi=2+)和7.12 MeV(Jpi=4+)。本工作计算的14O(a,p)17F的反应率比之前的结果大很多(最大可达1.9倍)，表明这一关键反应比预想的更容易从热CNO循环中突破出来进入到rp过程，从而在爆炸过程中形成更多更重的核素。研究结果发表在Eur. Phys. J. A47 (2011)67上。在上述实验中，中能炮弹碎裂方法产生的低能次级束17F的流强只有2x10^3 pps。为了大幅提高低能次级束的流强，课题团队新设计并制造了一个气体靶并安装在RIBLL1的入口。在测试实验中，22Na低能次级束的流强达到了1.7x10^4 pps。如果适当地提高初级束的流强和气体靶的气压，预期可以产生2x10^5 pps的流强。新方法产生的次级束强度比以前方法要强1-2个量级，并可节约大器SSC的电力消耗。次级束流强的大幅提升为核天体物理、核结构及核反应研究提供了理想的束流条件。文章发表在NIMA680(2012)43上。第二个实验是在日本东京大学核科学研究中心的放射性束装置CRIB上完成的。利用逆反应动力学方法，通过21Na+p共振弹性散射对复合核22Mg共振态能级的性质进行了研究。该实验以中科院近代物理所为主，联合了上海应物所、北京原子能院以及日本东京大学等科研机构。目前，实验的数据分析工作及文章初稿已经完成，预计很快可以投稿。另外，在本基金的支持下，课题组也发表了一些理论方面的文章。