近日，中国科学院近代物理研究所的科研人员及合作者利用日本稀少放射性核素储存环（Rare-RI Ring, R3），成功测量了短寿命丰中子核素钯-123的质量，并研究了新的质量结果对快中子俘获过程（R-过程）元素丰度的影响。这是基于R3储存环得到的第一个重要的物理成果，于4月15日发表在Physical Review Letters上。 

　　核天体物理研究的一个核心问题是宇宙中重元素的来源。理论认为，宇宙中比铁更重的元素约有一半是在R-过程中产生的。然而，R-过程发生的场所在科学界尚无定论，双中子星合并过程被认为是其中一个可能的场所。 

　　原子核质量是研究R-过程元素丰度的重要物理输入量。短寿命丰中子核素质量的实验数据不仅为R-过程计算提供可靠数据，而且可以帮助改进质量模型。然而，由于R-过程涉及大量远离稳定线的丰中子短寿命原子核，极难在实验室产生，因此核天体计算需要的大量核数据依赖于模型计算结果。   

　　R-过程核数据输入量的敏感性研究指出，钯-123的质量对R-过程中A=122和A=123的元素丰度有最大影响，亟需实验测量。近期，近代物理所科研人员及合作者在日本理化学研究所（RIKEN）大科学装置放射性束流工厂（RIBF）开展了钯-123的质量测量实验。 

　　RIBF是目前世界上流强最高的放射性束流装置。R3是继德国GSI的ESR和中国兰州重离子加速器国家实验室的CSRe之后，第三个基于储存环的等时性质谱仪。R3是唯一一个和回旋加速器耦合使用的等时性质谱仪，基于自触发单粒子筛选注入技术，可精准选择产生的目标核素逐个注入R3进行测量，对低产额、短寿命放射性核素的测量有独特的优势。 

　　实验中，目标核由RIBF超导回旋加速器提供的高流强铀-238初级束轰击铍靶产生，经过BigRIPS放射性束流线分离鉴别，传输至R3进行测量。实验中共观测到166个钯-123离子，得到的质量精度达到了2.3x10^-6，与ESR和CSR等时性质谱术的早期测量精度相当。 

　　基于新的质量数据，研究人员使用PRISM反应网络模型计算了双中子星合并的20个R-过程路径，得到A=122和A=123元素丰度比。计算结果指出，和基于有限程液滴模型FRDM2012核质量数据得到的结果相比，使用本次实验质量结果得到的A=122和A=123的R-过程元素丰度比更好地符合太阳系R-过程元素丰度的观测值。 

　　该工作由中科院近代物理所、日本理化学研究所、日本埼玉大学、筑波大学、东京大学核物理研究中心、美国LANL实验室等单位合作完成。   

　　该研究得到了国家自然科学基金面上项目(No.11975280)的支持。 

　　文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.152701  

　　图：日本稀少放射性核素储存环（Rare-RI Ring） 图源/日本理化学研究所 

（储存环核物理室  供稿）