近日，马余刚院士的核天体物理课题组在基于上海光源激光-电子伽马源（SLEGS）装置上的光核反应研究取得重要进展，研究成果以“High-Precision Measurement of D(γ, n)p Photodisintegration Reaction and Implications for Big-Bang Nucleosynthesis”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上。复旦大学现代物理研究所的陈银吉博士后为论文第一作者，复旦大学的何建军教授、东京大学/北京航空航天大学的梶野敏贵教授、中国科学院上海高等研究院的范功涛研究员、复旦大学/华东师范大学的马余刚院士为共同通讯作者。
大爆炸理论最早由乔治·伽莫夫于1946年提出，如今已成为宇宙学中最广为接受的标准宇宙模型。根据大爆炸理论，宇宙大约在138亿年前起源于一个火球，随着宇宙的膨胀和冷却，当宇宙诞生约3分钟时（温度降至约10亿摄氏度），原初大爆炸核合成（BBN）开始，随宇宙膨胀温度密度迅速降低，原初核反应在不到半小时后就熄灭了。通过大爆炸核合成，只有最轻的核素被合成到可观的数量，大约产生了75%的1H和25%的4He，以及极少量的2H（即氘）、3He和7Li。这些遗迹为人们提供了一个独特的、得以窥见早期宇宙面貌的探针。
其中，氘作为大爆炸核合成（BBN）产生的第一种核素，是后续反应的关键原初物质和燃料。目前天文观测到的氘丰度的精度已达到约1%的水平，因此，BBN理论预测和核物理数据也需要达到类似的水平。作为与氘丰度相关的重要反应之一，即产生氘的p(n, γ)D反应，它在BBN感兴趣能量下的截面还有很大的不确定度。因此，精确测定该反应截对于研究关键宇宙学参数—重子数密度Ωbh2、原初氘丰度，以及在精确宇宙学背景下研究BBN及其稳健性都具有重要的物理意义。
本工作通过测量pn俘获反应的逆反应D(γ, n)p来实现上述研究目标。实验是在SLEGS装置上完成的（见图1）。SLEGS于2021年12月建设完成并投入运行，是全球首个实现激光康普顿斜散射模式的激光康普顿散射的装置，具有更为便捷的能量扫描能力。它能在0.4~21.7 MeV的能量范围内提供高亮度的准单色伽马射线源，目前已在核物理和核天体物理研究中展现出强大的能力。
图1. 上海激光-电子伽马源（SLEGS）装置示意图。
该实验对D(γ, n)p光解反应的光中子截面进行了高精度测量。在Eγ =2.327~7.089 MeV能量范围内，其精度比之前类似实验的结果提高了2倍多（见图2）。通过使用重子有效场理论对所有相关可用实验数据进行全局马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，获得了前所未有的精确的p(n, γ)D反应截面和热核反应率（精度约为0.1%），其精度比20年前的评估高出大约4倍（见图3）。在标准的ΛCDM BBN框架下，新的高精度反应率使关键宇宙学参数—重子数密度Ωbh2的不确定度相对于以往结果降低了10~16%。此外，我们还观察到，由原初氘丰度观测和宇宙微波背景辐射(CMB)测量所约束的Ωbh2之间存在显著的约1.2σ的矛盾，指出了提高DD反应率精度的必要性和重要性，同时，这可能也暗示着标准宇宙学模型之外存在新物理的线索。
图2：D(γ, n)p反应的光中子截面。（a）基于SLEGS装置的结果以红线表示，不确定度以彩色带子表示。为便于比较，还展示了之前的数据；（b）本实验结果与之前的比较（以本实验结果作为参考）。
图3：本工作评估的p(n, γ)D反应率与之前结果的比较。带颜色的阴影表示不确定度。
作为SLEGS实验装置上发表的首篇国际物理学顶级期刊文章，该实验的成功表明了SLEGS全面具备了进行核天体物理光核反应实验测量的能力。这为该装置上开展天体物理关键光核反应研究铺平了道路，并开启了新的研究方向。同时，也是中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心与复旦大学现代物理研究所共建光核物理联合实验室发表的首个物理成果。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1103/tbbt-s819
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