众所周知，对于恒星平稳演化阶段相对低温环境中发生的热核反应，决定反应率的有效伽莫夫窗口远低于库仑势垒，反应截面甚小，直接测量十分困难。深地实验室能够极大地降低宇宙射线造成的干扰，提供本底极低的测量环境，有利于开展稀有反应事件的精确测量和研究。中国锦屏地下实验室(CJPL)覆盖岩层厚达2400多米，居世界之首。宇宙射线通量比意大利格兰萨索地下LUNA实验室还要低大约100倍。锦屏II期新建了8实验洞用于开展多学科深地科学研究。其中，A1实验洞用于建设核天体物理JUNA实验装置。在基金委重大项目、中科院仪器项目以及中核集团自主投入项目的牵引下，JUNA实验装置由中国原子能科学研究院牵头，联合中科院近代物理研究所、北京师范大学、清华大学等科研单位于2020年底深地建成出束。研发了深地束流最强的400 kV加速器，建立了高效率大立体角的 BGO伽马射线、中子探测器及带电粒子探测器阵列，为重要核天体反应直接测量提供了世界一流的条件。

宇宙中氟元素的起源问题迄今仍然是一个谜，它是核天体物理的一个重要研究方向。有理论认为，AGB星是氟元素的主要合成场所，但由于缺乏与氟相关的一系列关键核反应在感兴趣伽莫夫能区的实验数据，目前的AGB星模型尚无法解释天文观测得到的氟超丰现象。¹⁹F(p,αg)¹⁶O是AGB星中氟元素的主要消耗通道之一，它在伽莫夫能区（E_c.m. = 70~200 keV）的截面极低（大约在pb量级），由于宇宙射线本底的影响，人们一直无法对其进行直接测量。因此，对该反应的直接测量迫切需要在深地实验室进行。¹⁹F(p,αg)¹⁶O反应直接测量是JUNA项目中的四个科学目标之一。JUNA项目子课题负责人何建军教授带领科研团队经过几年的艰苦攻关，成功研制出目前耐辐照能力最强的¹⁹F注入靶，并迈进地面实验，积累了大量关键实验技术和经验。于2021年初，利用锦屏加速器提供的强流质子束，成功将该反应从之前的198 keV一直向下推进至72.4 keV能量点（目前深地条件下的极限），首次在AGB星感兴趣的伽莫夫能区获得了实验数据，并与国际同行开展了理论方面合作，将之前0.01 GK温度附近的反应率不确定度降低了2到3个数量级，极大地降低了该反应率在天体网络计算中引入的误差。

相关研究结果近日以“Direct Measurement of Astrophysical ¹⁹F(p,αg)¹⁶O Reaction in the Deepest Operational Underground Laboratory”为题发表在物理类国际顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。由于工作的重要性，本文被选为特色物理和编辑推荐(Featured in Physics and Editors’ Suggestion)的亮点文章。北京师范大学核科学与技术学院张立勇副教授为论文第一作者，何建军教授为第一通讯作者。北京师范大学核科学与技术学院为论文的第一单位。该工作得到了国家自然科学基金重大项目和杰出青年科学基金项目的资助。

作为JUNA实验装置的首批成果之一，¹⁹F(p,αg)¹⁶O实验的成功开展证明JUNA完全具备了进行深地核天体物理研究的能力，《物理评论快报》审稿人认为“实验结果对解释宇宙中悬而未决的氟超丰问题具有根本意义”，标志着我国深地核天体物理研究将进入一个新的阶段。

原文链接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.152702

 

 

图1：在130 keV质子束流能量的轰击下，地面与深地实验室所获伽马射线谱的比较。可以明显看出深地对宇宙线屏蔽和JUNA强流加速器的组合优势。

 

 

图2：¹⁹F(p,αg)¹⁶O反应的天体物理S因子。JUNA的数据以粉色圆圈表示，粉色实线为R矩阵的最佳拟合结果。之前的数据和外推曲线分别以黑色三角和灰色线条表示。