天体能区下CNO循环过程中关键核反应14N(p,g)15O的研究

During the hydrogen-burning phase, two main mechanisms are possible for the production of energy by the conversion of four protons into one helium nucleus: the p-p chain and CNO cycle. The capture reaction 14N(p,g)15O is the slowest process in the hydrogen burning CNO cycle and thus of high astrophysical interest. This reaction plays a role of setting the energy production and neutrino spectrum of the sun as well as the age determination of globular clusters. The extremely low value of the cross section, ranging from pico-barn, has always prevented its measurement in a laboratory at the Earth’s surface, where the signal to background ratio is too small because of cosmic ray interactions. Instead, the observed energy dependence of the cross section at high energies is extrapolated to the low energy region, leading to substantial uncertainties. China JinPing underground Laboratory (CJPL) is shielded by 2400 m of mainly marble overburden, with radioactively quiet rock, which extremely suppresses the cosmic ray background. And a high current accelerator based on ECR source will be constructed for nuclear astrophysics experiment. Base on the ultra-low background of CJPL and high current accelerator, we can study 14N(p,g)15O for the first time to obtain direct cross section data around solar Gamow window.

在氢燃烧阶段，恒星能量主要源自其内部的氢，通过质子-质子链反应和CNO循环过程，燃烧转化为氦。由于14N(p,g)15O反应速率在CNO循环中最为缓慢，因此其反应率将决定CNO循环的能量产生率。该反应的速率还直接影响太阳中微子中13N和15O中微子的通量，及银河系中最古老的球状星团的年龄等，因此对14N(p,g)15O反应的研究一直是核天体领域的热点。但是由于在天体能区（太阳的有效反应能区为20-33keV）其反应截面极低（约0.1pb），又由于宇宙射线所造成本底的影响，地面实验室无法进行直接测量，只能通过高能数据点结合理论外推的方法估算反应截面，存在着较大的不确定度。本项目将依托锦屏深地核天体实验项目（JUNA），利用目前世界首台ECR深地强流加速器,开展针对14N(p,g)15O反应的截面测量，并首次将测量能量推进到太阳有效反应能区附近，获得更为可靠的反应速率。

本项目主要依托中国锦屏地下实验室“核天体物理实验项目（JUNA）”，基于中国锦屏地下实验室超低本底环境以及JUNA 400 kV强流加速器，开展针对CNO循环过程中关键核反应14N(p,g)15O天体能区下（50 - 200 keV）反应截面的测量。CNO循环是大质量恒星能量的主要来源，由于14N(p,g)15O反应的速率直接决定着CNO循环的能量产生率以及恒星的寿命，因此天体能区下14N(p,g)15O反应截面的直接测量有着重要的科学意义。但是该反应在天体能区下的反应截面极地（约0.1 pb），由于宇宙射线本底的影响，使得地面实验室无法进行直接测量，只能依靠高能段截面外推，存在很大的不确定性。目前仅意大利的格兰萨索地下实验室，对该反应的140～400 keV能段进行过直接测量。项目执行期间主要完成了：1）利用27Al(p,g)28Si、12C(p,g)13N等反应，对新建的JUNA 400 kV加速器束流性能的测试与评估；2）利用磁控溅射技术以及离子注入技术，研制了实验所需的高纯度14N固体靶，并与中山大学实验核天体课题组合作研制14N气体靶；3）利用中科院近物所的320 kV高压平台对14N(p,g)15O反应259 keV共振峰附近的截面进行了测量；4）在中国锦屏地下实验室对14N(p,g)15O反应250～280 keV能区的截面进行了测量。由于受到疫情等原因的影响，中国锦屏地下实验室的建设工程延期，原计划于2021年底进行的50～200 keV能区的截面测量，延迟到2023年初进行。本人会继续按照项目要求进行实验测量、数据分析以及发表实验结果等工作。