测量电荷交换反应截面，探索超新星爆发之谜学术资讯

来源：中科院近代物理所

作者：高丙水中科院近代物理研究所副研究员

一些大质量恒星演化到最后阶段时，会通过超新星爆发的方式结束自己的生命。超新星爆发是宇宙中最高能，同时也是最为神秘的天体活动之一。超新星爆发过程中释放的大量能量，足以点亮整个星系。

超新星爆发的研究一直吸引着大批科学家们的兴趣。在过去的几十年中，科学家们试图理解这样的天体活动，虽然目前取得了一定进展，但仍有很多未解之谜等待着科学家们去回答。

图超新星爆发所形成的蟹状星云

计算机模拟是科学家们理解超新星爆发内在机制的重要工具，从而帮助人们揭开它神秘的面纱。在对超新星爆发的模拟过程中，电子俘获速率是其中一个非常重要的物理输入量。

以往的研究表明，在中子数约等于50附近，存在着这样一批丰中子核素：它们对超新星爆发过程中的电子俘获速率起着至关重要的作用，从而也决定着电子的数量和超新星爆发过程中恒星内部的物质组成成分。

此外，原子核的壳层模型结构显示，在该丰中子核区附近，“泡利不相容原理”扮演着重要的角色。这是因为，原子核通过捕获电子发生跃迁时，其中的中子已经占据了发生跃迁所将要到达的能态，受“泡利不相容原理”效应的限制，这样的跃迁就无法发生。然而，科学家们在实验室中却无法直接测量丰中子核素的电子俘获速率。这是因为，丰中子核素的电子俘获反应是吸能反应。

在自然环境下，这样的反应根本无法发生。那么科学家们怎样才能测量电子俘获速率，从而帮助我们了解超新星爆发的奥秘呢？电荷交换反应，为间接测量丰中子核素的电子俘获速率提供了可能。科学家们发现，在电荷交换反应中，它们的反应截面正比于原子核的跃迁强度，而这些跃迁强度又是正比于电子俘获速率。因此，通过测量电荷交换反应的反应截面，就可以间接提取电子俘获速率。

在最近一项发表于 Physical Review C的研究中，来自中国科学院近代物理研究所、美国密歇根州立大学等研究机构的科学家们，就利用这样的方法，在对未知世界的探寻之路上又前进了一步。科学家们利用(t,3He+γ)电荷交换反应，研究了上述丰中子核素附近的原子核之一——93Nb的电子俘获速率。这项实验在美国密歇根州立大学的超导回旋加速器国家实验室开展。研究团队利用高精度磁谱仪S800和大型伽马射线探测器GRETINA进行测量工作。

图实验探测装置：大型伽马探测器阵列GRETINA

图实验探测装置：高精度磁谱仪S800

研究结果显示，在计算电子俘获速率时，此前被研究者所广泛使用的由Langanke等人提出的近似公式，并没有很好地处理“泡利不相容原理”。因此该公式并不能很好地重现研究团队的测量结果。这说明，该公式并不适用于计算该丰中子核区的电子俘获速率，特别是在温度和密度较低的星体环境中更是如此。

来源：CASIMP 中科院近代物理所

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