锦屏深地核天体物理实验的首个实验成果

上世纪八十年代以来，科学家们使用太空伽马射线望远镜对银河系进行了大量观测，他们发现一条强度很高、能量为1.809 MeV的伽马射线。科学家们的分析结果表明，这条伽马射线来自银河系星际介质中的²⁶Al核素。²⁶Al基态的寿命约为1百万年，可以通过贝塔衰变或轨道电子俘获生成²⁶Mg的激发态，该激发态会发射1.809 MeV的伽马射线，退激到²⁶Mg的基态。根据这条伽马射线的通量可以估算出银河系星际介质中²⁶Al核素的含量约为太阳质量的3倍，结果让科学家们非常震惊。因为²⁶Al的寿命同太阳系的寿命（46亿年）相比实在是太小了，早期产生的²⁶Al已经消亡殆尽，那么银河系中如此多的²⁶Al是如何又是在哪里产生的呢？

随着科学家对²⁶Al来源之谜研究的深入，人们发现²⁶Al中隐含着更多的宇宙秘密。比如，通过研究太阳系形成初期的²⁶Al丰度，可以揭示触发太阳系形成的“扳机”事件；球状星团曾被认为是研究星系年龄的理想场所，然而一些观测结果却发现其中一些AGB星呈现Mg-Al丰度反关联；宇宙中⁶⁰Fe和²⁶Al的伽马射线通量比还与恒星生产率直接相关，可以为我们认识太阳系的产生场所提供一个重要约束。总之，星际²⁶Al的来源成为世界核科学研究的热点问题，相关研究面临着激烈的国际竞争。

为在激烈的国际竞争中取得有利地位，锦屏深地核天体物理实验团队选择²⁵Mg(p,γ)²⁶Al反应进行研究。该反应是恒星中产生²⁶Al的关键反应，²⁶Al的几个阈上能级（58，92，189，304 keV）的共振俘获过程对反应率有重要贡献。189和304 keV的共振俘获截面较大，地面设施能够进行高精度的测量。58 keV的共振俘获截面很小，难以直接测量。2020年，研究团队使用一种间接测量方法，获得了58 keV能级的共振强度。当前，²⁵Mg(p,γ)²⁶Al反应的不确定性主要由92 keV的共振俘获决定，对该能级的共振强度和基态分配因子的精确测量能够高精度地给出AGB星环境下²⁵Mg(p,γ)²⁶Al反应的天体物理反应率，从而为解决星际²⁶Al的来源之谜做出贡献。

92keV的共振俘获截面很小，测量相当困难。在地面实验室进行测量时，反应产生的些许效应计数将会淹没在宇宙射线的汪洋大海中，根本无法提取有效数据。意大利的科学家首先把加速器搬到山洞中，利用山体的岩石屏蔽宇宙射线，从而获得了92 keV能级的共振强度和基态分配因子。然而，由于他们的实验室不够深，加速器的束流强度不够高，导致实验结果误差很大，满足不了恒星模型计算要求的精度。

我国的锦屏深地实验室有着得天独厚的屏蔽条件，岩石厚度比意大利多1000米，宇宙射线的强度小两个数量级。我国深地核天体物理团队在国家基金委、中核集团和中国科学院的支持下，成功研制出流强可达10 mA的加速器装置。还建成了几何效率超过90%的BGO伽马探测器阵列，经过冷却后获得国际最高能量分辨。相比国际上的深地实验室，锦屏核天体物理实验装置有如下优势：实验室的本底水平最低，深地加速器的束流强度最大，BGO伽马探测器阵列的能量分辨好。借助这一优势，研究团队在2021年1月1日开始进行92 keV共振俘获反应的测量，经过15天夜以继日的奋战，获得了世界上精度最好的测量结果。如下图所示，实验得到的共振强度误差为8%，基态分配因子的误差为6%，都是世界最精确的实验结果。

图1. 锦屏实验结果与已有数据的比较 

研究结果表明，在AGB星感兴趣的0.1GK温度下，实验得到的反应率比国际评价结果大2.4倍，这意味着AGB星能产生更多的²⁶Al。该高精度的反应率数据将为研究AGB星的对流模型提高一个很好的约束，也能为解释球状星团的元素丰度分布异常提供重要的数据支撑。

该工作是锦屏深地核天体物理实验的首个实验成果，研究论文入选为Science Bulletin 2022年第2期的封面文章。