文章来源：上海应用物理研究所

　　中国科学院上海应用物理研究所核物理研究室与清华大学物理系合作，基于他们新发展的用于低能核反应的多道、多能级的约化R-矩阵理论，迭代拟合¹⁶O核系统几乎所有可用的实验数据，外推得到了内部自恰的¹²C(α,γ)¹⁶O反应天体物理S因子及其反应率。这是首次在理论上给出满足恒星演化与元素核合成模型精确度要求（不确定度低于10%）的¹²C(α,γ)¹⁶O天体物理反应率。相关研究论文于近日分别在线发表于Astrophysical Journal Letters (ApJ, 817, L5 (2016))和Physical Review C (PRC 92,045802 (2015))上。

　　在恒星氦燃烧阶段，3α和¹²C(α,γ)¹⁶O反应相互竞争，两者的反应速率共同决定了氦燃烧结束后¹²C与¹⁶O的丰度比，该值是大质量恒星后继演化以及伴随的元素核合成过程的初始条件。这些过程对¹²C(α,γ)¹⁶O在恒星环境中温度为T₉ = 0.2 (单位10⁹ K，质心系能量0.3 MeV)处的反应率极为敏感。1983年诺贝尔奖获得者William Fowler曾明确指出：确定¹²C/¹⁶O丰度比和太阳中微子疑难是核天体物理学亟待解决的两个基本问题，并将¹²C(α,γ)¹⁶O反应称为核天体物理学的“圣杯”。目前最为直接和可靠的获取¹²C(α,γ)¹⁶O反应率的方法，就是尽可能往低能区测量其天体物理S因子，通过理论外推到感兴趣的能区，进而计算给出天体物理反应率。

　　上海应物所博士生安振东在研究员马余刚的指导下，与合作者清华大学教授陈振鹏基于经典的R-矩阵方法发展了用于低能核反应的多道、多能级的约化R-矩阵理论。配合使用协方差统计和误差传播理论，迭代拟合¹⁶O系统几乎所有可用的40余家实验数据，外推给出氦燃烧起始0.3 MeV处总的S因子为162.7±7.3 keV b。同时基于R-矩阵分析给出的全能区的S因子，计算给出了温度位于0.04 ≤ T₉ ≤ 10的¹²C(α,γ)¹⁶O天体物理反应率。在T₉ = 0.2处，推荐的反应率为(7.83 ± 0.35)×10¹⁵ cm³mol⁻¹s⁻¹，相对误差为4.5%。该反应率的获得有助于科学家理解上至铁区的中等质量核素的合成、铁区以后重元素经s、r和p等过程核合成的反应机制，以及大质量恒星随后的演化进程（白矮星的冷却、超新星爆发、中子星和大质量的X射线黑洞双星的形成）等。

　　目前，核物理研究室正在筹建上海光源线站工程II期之一的上海激光电子伽玛源（SLEGS）线站。建成之后有望测量质心系能量0.3 MeV附近对应的逆反应¹⁶O(γ,α)¹²C的积分截面，将有助于在实验上直接解决¹²C(α,γ)¹⁶O反应率这一核天体物理学“圣杯”问题。

　　该项目得到国家自然科学基金，基金委创新群体项目，“973”项目等的联合资助。

图2. ¹²C(α,γ)¹⁶O反应天体物理反应比较