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近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的科研人員及合作者利用日本稀少放射性核素儲(chǔ)存環(huán)(Rare-RI Ring, R3)，成功測(cè)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(duì)快中子俘獲過(guò)程(r-過(guò)程)元素豐度的影響。這是基于R3儲(chǔ)存環(huán)得到的第一個(gè)重要的物理成果，于4月15日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

核天體物理研究的一個(gè)核心問(wèn)題是宇宙中重元素的來(lái)源。理論認(rèn)為，宇宙中比鐵更重的元素約有一半是在r-過(guò)程中產(chǎn)生的。然而，r-過(guò)程發(fā)生的場(chǎng)所在科學(xué)界尚無(wú)定論，雙中子星合并過(guò)程被認(rèn)為是其中一個(gè)可能的場(chǎng)所。

原子核質(zhì)量是研究r-過(guò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅為r-過(guò)程計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)，而且可以幫助改進(jìn)質(zhì)量模型。然而，由于r-過(guò)程涉及大量遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的豐中子短壽命原子核，極難在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生，因此核天體計(jì)算需要的大量核數(shù)據(jù)依賴于模型計(jì)算結(jié)果。

r-過(guò)程核數(shù)據(jù)輸入量的敏感性研究指出，鈀-123的質(zhì)量對(duì)r-過(guò)程中A=122和A=123元素豐度有最大影響，亟需實(shí)驗(yàn)測(cè)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(kāi)展了鈀-123的質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

RIBF是目前世界上流強(qiáng)最高的放射性束流裝置。R3是繼德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心(GSI)的實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)存環(huán)(ESR)和中國(guó)蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的冷卻儲(chǔ)存環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)(CSRe)之后，第三個(gè)基于儲(chǔ)存環(huán)的等時(shí)性質(zhì)譜儀。R3是唯一一個(gè)和回旋加速器耦合使用的等時(shí)性質(zhì)譜儀，基于自觸發(fā)單粒子篩選注入技術(shù)，可精準(zhǔn)選擇產(chǎn)生的目標(biāo)核素逐個(gè)注入R3進(jìn)行測(cè)量，對(duì)低產(chǎn)額、短壽命放射性核素的測(cè)量有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)核由RIBF超導(dǎo)回旋加速器提供的高流強(qiáng)鈾-238初級(jí)束轟擊鈹靶產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)放射性束流線分離鑒別，傳輸至R3進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中共觀測(cè)到166個(gè)鈀-123離子，得到的質(zhì)量精度達(dá)到了2.3x10-6，與ESR和CSR等時(shí)性質(zhì)譜術(shù)的早期測(cè)量精度相當(dāng)。

基于新的質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究人員使用反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了雙中子星合并的20個(gè)r-過(guò)程路徑，得到A=122和A=123元素豐度比。計(jì)算結(jié)果指出，和基于有限程液滴模型核質(zhì)量數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相比，使用本次實(shí)驗(yàn)質(zhì)量結(jié)果得到的A=122和A=123的r-過(guò)程元素豐度比更符合太陽(yáng)系r-過(guò)程元素豐度的觀測(cè)值。(作者：劉如楠 甘曉 )