中外学者利用日本R3装置获得首个物理成果

日本稀少放射性核素储存环（Rare-RI Ring） 图源：日本理化学研究所

近日，中国科学院近代物理研究所的科研人员及合作者利用日本稀少放射性核素储存环（Rare-RI Ring, R3），成功测量了短寿命丰中子核素钯-123的质量，并研究了新的质量结果对快中子俘获过程（r-过程）元素丰度的影响。这是基于R3储存环得到的第一个重要的物理成果，于4月15日发表在《物理评论快报》上。

核天体物理研究的一个核心问题是宇宙中重元素的来源。理论认为，宇宙中比铁更重的元素约有一半是在r-过程中产生的。然而，r-过程发生的场所在科学界尚无定论，双中子星合并过程被认为是其中一个可能的场所。

原子核质量是研究r-过程元素丰度的重要物理输入量。短寿命丰中子核素质量的实验数据不仅为r-过程计算提供可靠数据，而且可以帮助改进质量模型。然而，由于r-过程涉及大量远离稳定线的丰中子短寿命原子核，极难在实验室产生，因此核天体计算需要的大量核数据依赖于模型计算结果。

r-过程核数据输入量的敏感性研究指出，钯-123的质量对r-过程中A=122和A=123元素丰度有最大影响，亟需实验测量。近期，近代物理所科研人员及合作者在日本理化学研究所（RIKEN）大科学装置放射性束流工厂（RIBF）开展了钯-123的质量测量实验。

RIBF是目前世界上流强最高的放射性束流装置。R3是继德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）的实验储存环（ESR）和中国兰州重离子加速器国家实验室的冷却储存环实验环（CSRe）之后，第三个基于储存环的等时性质谱仪。R3是唯一一个和回旋加速器耦合使用的等时性质谱仪，基于自触发单粒子筛选注入技术，可精准选择产生的目标核素逐个注入R3进行测量，对低产额、短寿命放射性核素的测量有独特的优势。

实验中，目标核由RIBF超导回旋加速器提供的高流强铀-238初级束轰击铍靶产生，经过放射性束流线分离鉴别，传输至R3进行测量。实验中共观测到166个钯-123离子，得到的质量精度达到了2.3x10-6，与ESR和CSR等时性质谱术的早期测量精度相当。

基于新的质量数据，研究人员使用反应网络模型计算了双中子星合并的20个r-过程路径，得到A=122和A=123元素丰度比。计算结果指出，和基于有限程液滴模型核质量数据得到的结果相比，使用本次实验质量结果得到的A=122和A=123的r-过程元素丰度比更符合太阳系r-过程元素丰度的观测值。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.152701