科學(xué)家借R3儲存環(huán)測得鈀質(zhì)量有助解開宇宙重元素來源之謎

近日，中國科學(xué)院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）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，相關(guān)論文于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)，而且可以幫助改進質(zhì)量模型。然而，由于R-過程涉及大量遠離穩(wěn)定線的豐中子短壽命原子核，極難在實驗室產(chǎn)生，因此核天體物理研究中的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-過程中質(zhì)量數(shù)為122和123的核素的豐度有最大影響，亟須實驗測量。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。

實驗中，目標核由RIBF超導(dǎo)回旋加速器提供的高流強鈾-238初級束轟擊鈹靶產(chǎn)生，經(jīng)過BigRIPS放射性束流線分離鑒別，傳輸至R3進行測量。

基于新的質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究人員使用PRISM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，得到質(zhì)量數(shù)為122和123的元素豐度比。計算結(jié)果指出，和基于有限程液滴模型FRDM2012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)果得到的質(zhì)量數(shù)為122和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。