元素核合成中的关键科学问题研究

国家自然科学基金

资助项目进展报告

填表日期：2012年1月6日

国家自然科学基金委员会制（2004年11月）

关于填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》的说明

一. 项目负责人每年须填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》（简称《进展报告》），

以此作为自然科学基金资助项目跟踪、管理的主要依据。

二. 项目负责人应认真阅读自然科学基金项目管理和财务管理有关规定、办法（查阅

http://www.77cn.com.cn）, 在年度工作的基础上，实事求是地撰写《进展报告》。

三. 项目依托单位认真审核, 于每年1月15日前将本单位受资助项目的《进展报告》

统一报送国家自然科学基金委员会归口管理部门。

四. 《进展报告》由报告正文和附件两部分组成, 报告正文请参照 “《进展报告》报告

正文撰写提纲”撰写，并可根据需要增设栏目，要求层次分明, 内容准确。项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映。

五. 国家自然科学基金委员会归口管理部门负责审核项目年度《进展报告》、跟踪项目

进展与研究成果、核准项目负责人的次年度研究计划和调整要求，确定项目继续资助的情况。对不按要求填报《进展报告》，或项目执行不力，或内容、人员等调整不当而影响项目顺利进展的，视其情节轻重要求负责人和依托单位及时纠正，或给予缓拨资助经费、中止或撤消项目等处理。

六. 《经费执行情况报表》由重大项目的课题和重点项目填报，重大项目每年度填报随

进展报告一同报送，重点项目在进行中期检查的年度填报。其他项目无需填报《经费执行情况报表》，只需在《进展报告》中对经费使用情况和下一年度经费安排做出必要的说明。

注：国家自然科学基金强调科学道德和良好的学风，反对弄虚作假和浮躁作风，要求

工作认真、填报材料实事求是。部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，特别是面上项目。如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势，供国家自然科学基金委员会和专家参考。

报告正文撰写提纲

1. 年度计划要点和调整情况。简要说明是否按计划进行, 哪些研究内容根据国内外研究发展状况及项目进展情况做了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。

2. 研究工作主要进展和阶段性成果。(本部分是进展报告的重要部分,请认真撰写)。请分层次叙述所开展的研究工作、取得的进展或碰到的问题等，给出必要的数据、图表。根据实际情况提供国内外有关研究动态的对比分析及必要的参考文献。本部分亦包括国内外合作与学术交流、研究生培养情况等。

3. 下一年度工作计划，包括国内外合作与交流计划。如要求对原研究内容和主要成员作重要调整，需明确要求调整的内容，并说明理由、必要性以及对项目实施的影响。（注：为保证基金项目顺利进行，研究人员要求稳定，一般不作变更。如确需变更，须按基金项目管理办法规定的要求提出申请，经自然科学基金委归口管理部门核准后方可变更。）

4. 当年经费使用情况与下一年度经费预算。给出必要的经费使用情况的说明，逐项列出固定资产超过5万元的设备的名称、使用情况等有关说明。

5. 存在的问题、建议及其他需要说明的情况。说明项目执行中的问题和建议。对部分探索性强的研究，有可能未获得理想结果或甚至失败，请如实地反映，说明原因、工作状况、发展态势和建议等，供基金委管理人员或同行专家参考。

6. 附件：给出标注基金资助的已发表和已有录用通知的论文目录、其他成果清单和必要的证明材料复印件等。发表论文按常规文献引用方式列出。

报告正文

1. 年度计划要点和调整情况

项目计划书中总的四大研究目标包括：通过间接测量充实关键核天体物理反应数据库；开展直接测量，检验和改进低能外推模型；开展rp和r过程相关核素的衰变性质测量，得出核天体物理网络计算的另一类输入量；通过实验与理论相结合，将反应和衰变数据带入网络计算，与天文观测数据相比较，研究元素核合成的天体场所。

群体成员紧密围绕这四个大研究目标开展工作，2011年的研究计划包括：

(1) CNO循环关键反应13C(p, )14N的间接测量；

(2) 高温CNO循环的逃逸反应14O( ,p)17F的间接测量；

(3) 6He+p弹性共振散射实验；

(4) 与LUNA地下实验室国际合作及无窗气体靶的设计；

(5) 12C+12C低能熔合截面的实验研究，地下实验室直接测量气体靶的初步设计；

(6) rp过程重要核素53Ni等的衰变性质的实验研究；

(7) 原初核合成Li-问题的研究；

(8) s过程核合成主中子源13C(α,n)16O反应率的确定及其对s过程核合成的影响；

(9) 贫金属恒星中Si元素丰度的确定，Si I红外谱线受NLTE效应的影响。

今年的研究计划与项目的总体研究目标关系如下：研究计划(1)-(3)属于第一个研究目标，研究计划(4)、(5)属于第二个研究目标，研究计划(6)属于第三个研究目标，研究计划(7)、(8)属于第一个和第四个研究目标，研究计划(9)属于第四个研究目标。

2. 研究工作主要进展和阶段性成果

(I). 年度计划完成情况（2011年度课题组按计划完成任务，具体如下）

(1) CNO循环关键反应13C(p, )14N的间接测量

在原子能院HI-13串列加速器Q3D磁谱仪上测量了7Li + 13C弹性散射及质子转移反应，首次测得了转移反应角分布的第一个峰。根据扭曲波玻恩近似（DWBA）分析提取了14N基态和第一激发态的质子谱因子分别为0.67 ± 0.09和0.73 ± 0.10。利用所得质子谱因子计算了13C(p, )14N直接俘获的天体物理S因子，通过拟合1-和0-共振的直接测量结果确定了13C(p, )14N总的天体物理S因子并更新了共振参数，进而计算出了13C(p, )14N天体物理反应率。天体物理S因子的结果如图1所示。当前的反应率结

果在T9 < 0.1范围内是NACRE数据库编评值的1.14倍。我们的工作为已有的13C(p, )14N研究结果提供了独立的交叉检验，已被Euro. Phys. J. A接受发表。

图1：13C(p, )14N反应的天体物理S因子，已有的直接测量数据（带误差棒的符号所示）仅低到90keV，我们的间接测量（图中曲线所示）给出了90keV以下能区的结果。

(2) 高温CNO循环的突破反应14O( ,p)17F的间接测量

在中科院近物所RIBLL次级束装置上，利用17F束流轰击靶测量了17F+p弹性共振散射的激发函数（图2），通过R矩阵分析研究了18Ne的能级性质，并给出了14O( , p)17F的天体物理反应率。本工作得到的14O( , p)17F的反应率比之前的结果大很多（最大可达1.9倍），表明这一关键的反应将更容易从高温CNO循环中突破出来进入到rp过程。研究结果发表在Eur. Phys. J. A 47, 67 (2011)上。

图2：F+p弹性共振散射的激发函数

(3) 6He+p弹性共振散射实验 17

在原子能院HI-13串列加速器次级束流线上，通过2H(7Li，6He)3He反应产生37.3 MeV的高纯度6He次级束，轰击(CH2)n靶，得到了6He+p弹性共振散射的激发函数，观测到了7Li质子阈上激发能为Ex=11.24 MeV的共振态，对应的共振能量为ER=1.27 MeV。利用多能级的R-矩阵理论对激发函数进行拟合分析，最终得到了7Li质子阈上Ex=11.24 MeV能级的自旋、宇称。通过对数据的进一步分析，首次得到了Ec.m.=4.3 MeV 6He+p弹性散射反角区的角分布（示于图3），通过DWBA理论对角分布进行分析，得出了6He+p弹散的光学势参数。

图3：1H(6He,p)6He角分布实验数据及DWBA计算结果

(4) 与LUNA地下实验室国际合作及无窗气体靶的设计

2011年2月赴意大利GranSasso实验室参加了LUNA-MV升级项目国际圆桌会议，就依托创新群体项目承担升级计划中的无窗喷射气体靶工作与LUNA达成初步协议。计划根据LUNA-MV项目的要求，首先在原子能院完成无窗喷射靶的组装调试，之后正式安装于LUNA-MV束流线并完成调试工作。

我们按照无窗喷射气体靶的基本原理，结合LUNA-MV升级项目的实际情况，完成了无窗喷射气体靶的初步设计。无窗喷射靶的难点在于气体喷嘴和差分泵组的设计以及靶厚的测量。其中气体喷嘴需要在整个系统调试过程中对不同形状大小的气嘴进行测试比较而定。根据以前工作的经验，对无窗喷射靶的差分泵组进行了初步设计（图

4）。差分泵组由七级差分泵系统组成，其中包括四台分子泵，三台罗茨泵以及前级泵组。普通无窗气体靶可以根据气压计算靶厚，而对于无窗喷射靶必须通过实验进行测量。通常有弹性散射和能量损失两种实验方法对靶厚及其稳定性进行精确测量。计划在系统调试完成后，利用串列加速器完成靶厚的测量实验。根据初步的计算，无窗喷射靶在初始气体为气压1500 mbar氦气的条件下，靶厚可以达到1017~1018 atoms /cm2，靶厚的不确定性在5-10%。

图4：无窗喷射气体靶差分泵组示意图

(5) 12C+12C低能熔合截面的研究

在美国圣母大学完成了对12C+12C低能熔合截面的研究工作，我们给出了质心系

2.1MeV以上能区熔合截面的上限。本结果与最新Phys. Rev. Lett.结果相矛盾，但与更早的其他数据相符（如图5所示）。本工作给出的数据很好地限制了12C+12C低能熔合截面，否定了之前关于低能区（<2MeV）存在一个强共振的理论预言，对于进一步理解恒星演化有重要意义。本工作的理论部分已经发表在Phys. Rev. C，实验部分也已经被Phys. Rev. C接受发表。

图5：12C+12C熔合截面结果的比较

(6) rp过程重要核素53Ni衰变性质的实验研究

在中科院近代物理研究所的RIBLL次级束流线上，利用能量为69MeV/A的58Ni束流轰击天然Ni靶，产生了53Ni等rp-过程相关放射性核素，利用 E-TOF方法对粒子进行了鉴别。53Ni等核素经过RIBLL束流线分离传输后注入到DSSSD探测器中，通过测量其衰变出的 +粒子或质子，对其衰变性质进行了测量。目前已经完成了实验数据的初步分析，得到了53Ni等核素的衰变能谱及衰变时间谱，并拟合出了这些核素

的半衰期，结果与现有数据基本符合。图6给出了处理得到的53Ni 延迟质子发射的能谱。本工作的成果总结及文章发表将于2012年完成。

图6：53Ni衰变的质子能谱

(7) 原初核合成Li-问题的研究

为了澄清Li-丰问题的核物理是非，有两个方面的有意义的研究工作。一是关键核反应的新实验测量，如GSI通过6Li电磁场破碎为α和d的过程的测量来提取2H(α, )6Li截面。二是Li元素相关核反应的系统性新实验测量和评估，如本课题组的Li相关11个反应道的系统实验研究。我们应用这些最新实验数据作为核输入，构建了目前最大的BBN核反应网络，进行了大爆炸核合成模拟计算。计算结果表明，6Li超丰问题仍然存在，如图7所示。我们在新的层次上得到“Li-问题可能不是核物理出问题”的初步结论，与GSI新结果一致。

图7：计算的Li-丰度作为重子密度的函数

然而，此结论仍然不是最终的。从核物理角度对Li-问题的实验和理论研究仍需继续。在更新已知相关核反应率的同时，我们还要探索全新反应道的可能性。例如np-pair同4He的反应等；又例如理论计算考虑实验最大误差的评估研究。

(8) s过程核合成主中子源13C( ,n)16O反应率的确定及其对s过程核合成的影响

13C( ,n)16O是AGB星s过程核合成主中子源反应，已有研究结果存在巨大差异，伽莫夫峰处的天体物理S因子相差5-25倍。我们在原子能院HI-13串列加速器Q3D磁谱仪上测量了 转移反应13C(11B, 7Li)17O*(6.356MeV)的角分布，通过DWBA分析提取了17O的6.356MeV阈下态的渐进归一化系数（ANC）和核谱因子，然后通过Breit-Wigner公式确定了13C( ,n)16O的天体物理S因子（如图8所示）和反应率，澄清了已有结果的巨大分歧。此外，我们把反应率数据输入AGB星网络程序，研究了最新结果对s过程核合成的影响。

图8：13C( ,n)16O反应率的结果及其与国际上其他数据的比较

(9) 贫金属恒星中Si元素丰度的确定，Si I红外谱线受NLTE效应的影响

利用已建立的Si原子模型，我们分析了一批贫金属恒星中Si元素的丰度。我们详细分析了Si II谱线受非局部热动平衡（NLTE）效应的影响。研究表明：在贫金属恒星中，Si II的NLTE效应随温度的增加而增大，最大可达到大于-0.25 dex；而且与金属丰度和表面重力没有很好的相关性。考虑了NLTE效应后，从Si I和Si II谱线得到的丰度在误差范围内是一致的；而LTE下，Si II谱线给出的丰度偏高（图9）。在贫金属恒星中，Si元素的丰度演化趋势是这样的：晕和厚盘恒星中的[Si/Fe]是过丰的（~0.2-0.3），而薄盘恒星中的[Si/Fe]明显要比厚盘恒星中的低。利用这一结果，可以区分厚、薄盘恒星。同时，我们的结果还表明Si和Mg一样主要是由大质量恒星产生的，文章发表在2011年 Astronomy and Astrophysics 534, 103。

图9：考虑了NLTE效应后Si I和Si II谱线得到的丰度一致（图中的实心圆），而LTE

下， Si I和Si II得到的丰度差别很大（> 0.2 dex 图中的空心圆）。

此外，我们利用日本Subaru望远镜的高分辨红外光谱，分析了Si I红外谱线受NLTE效应的影响。我们发现，Si I红外谱线受NLTE效应的影响与谱线强度有关，强线受NLTE效应比较大。而且，强线受NLTE效应的影响可能与表面重力有关，随表面重力的减小而增大。对极端贫金属巨星，NLTE效应可达到-0.35 dex。因此利用红外谱线确定贫金属巨星的丰度时，一定要考虑NLTE效应。研究表明，LTE时，利用Si I红外谱线确定的Si丰度偏高。但考虑了NLTE效应以后，利用Si I红外谱线得到的丰度与光学波段Si I谱线得到的丰度一致（图10），相关的文章已投The Astrophysical Journal（J. R. Shi et al. Silicon abundances in nearby stars from the Si I infrared lines）。

图10：考虑了NLTE效应后，利用Si I红外谱线得到的Si丰度与光学波段得到的丰度基本一致（图中的实心圆），而LTE时，红外谱线得到的Si丰度偏高（图中的空心圆）。 (II). 群体组织和国际合作进展

本群体十分重视内部合作与日常交流，原子能院、近物所、国家天文台和圣母大学合作一直非常紧密，尽管群体成员不全部在同一个城市，但我们已经建立了很好的交流平台，如群体网页、视屏会议系统、定期的群体内部交流讨论等，交流沟通非常密切。今年10月13-14日，本群体在厦门举办了2011年总结交流会，旨在交流进展，总结汇报2011年成果和2012年规划.会上群体成员报告了研究成果，布置了明年的工作，并发布了群体网页和群体论文集。基金委数理学部物理2处领导听取了群体成员的汇报。

项目负责人2月6至11日访问了意大利地下实验室LNGS，就在LUNA加速器上开展核天体反应直接测量合作达成初步共识。6月4至8日陪同基金委数理学部和国际合作局领导访问了加拿大TRlUMF囯家实验室，基金委对群体在国际合作方面取得的成绩表示赞赏。7月23至29日访问了美国MSU，就在大科学工程FRIB上开展核天体物理合作达成初步共识，并被选为国际核天体数据库REACLIB评委会成员。8月召开了中加核物理研讨会，交流了核天体物理和大科学工程的进展，续签了原子能院与TRIUMF的谅解合作备忘录。11月22至29日项目负责人在越南ISPUN11国际不稳定核物理大会上作邀请报告，重点报告了锂丰度问题研究，成果被大会总结报告引用。项目负责人连任亚洲核物理委员会成员。受中国物理学会推荐，连任IUPAP的

C12成员。

3. 下一年度工作计划

2012年研究计划包括：AGB星中重要反应15N(n, )16N反应率的间接测量；8Li(p, )9Be天体物理S因子和反应率的间接测量；22Mg能级性质的研究及其对重要天体反应18Ne( ,p)21Na的影响；大质量恒星碳燃烧中可能的中子源反应12C(12C, n)23Mg的实验研究；近邻恒星中的Cu元素丰度（贫金属和富金属恒星），确定Cu元素的主要来源；等其他计划。

在群体交流方面，5月份计划召开核天体物理研讨会，8月计划参加澳大利亚NIC国际核天体会议，并在会上争取2014年北京NIC会议的主办权。

4. 当年经费使用情况和下一年度经费预算

本年度下拨经费主要用于：购买本年度实验所需的半导体探测器及其测试、制靶及实验探测支撑系统加工、北京、兰州、河北兴隆等地实验及差旅费用、群体年度总结汇报会议相关费用等。下一年度经费将用于研究计划涉及的相关费用，包括购买高富集的同位素靶材料等。

5. 存在的问题、建议及其他需要说明的情况

课题进展良好，暂无问题。

6. 附件：基金资助下已发表和待发表的论文

(1) Y.J. Li, Z.H. Li, E.T. Li et al., New determination of the astrophysical 13C(p, )14N S(E)

factors and rates via the 13C(7Li, 6He)14N reaction, Euro. Phys. J. A, 2012, accepted.

(2) LI Er-Tao, LI Zhi-Hong, SU Jun et al., Astrophysical rates for the 6He(p, )7Li Reaction,

Chin. Phys. Lett. 28, 052102 (2011).

(3) W. P. Liu, Z .H. Li, B. Guo et al., Current progress of nuclear astrophysical reaction and

decay study at CIAE, Journal of Physics: Conference Series 312, 042013 (2011).

(4) Z.H. Li, E.T. Li, J. Su et al., Study of the primordial lithium abundance, SCIENCE

CHINA, Physics, Mechanics & Astronomy 54, 67s (2011).

(5) W.P. Liu, Z.H. Li, X.X. Bai et al., BRIF and CARIF progress, SCIENCE CHINA,

Physics, Mechanics & Astronomy 54, 14s (2011).

(6) J.J. He, J. Hu, S.W. Xu, et al., Study of proton resonances in 18Ne via resonant elastic

scattering of 17F+p and its astrophysical implication in the stellar reaction of 14O( , p)17F, Eur. Phys. J. A 47, 67 (2011).

(7) J.J. He, J. Hu, L.Y. Zhang et al., Reexamination of Astrophysical Resonance Reaction

Rate Equations for An Isolated, Narrow Resonance, Int. J. Mod. Phys. E 20, 165 (2011).

(8) J.J. He, L. Li, J. Hu, et al., Development of a Lorentzian-Function Approximation

utilizing in the charged-particle-induced non-resonant reaction rate, Int. J. Mod. Phys. E 20, 747 (2011).

(9) J.J. He et al., Study of proton resonances in 18Ne via resonant elastic scattering of 17F+p

and its astrophysical implication, SCIENCE CHINA, Physics, Mechanics & Astronomy 54, 32s (2011).

(10) H. Esbensen, X. Tang and C.L. Jiang, Effects of mutual excitations in the fusion of

carbon isotopes, Phys. Rev. C 84, 064613 (2011).

(11) M. Notani, H. Esbensen, X. Fang et al., Correlation between the 12C+12C, 12C+13C, and

13C+13C fusion cross sections, Phys. Rev. C 2012, Accepted.

(12) J. R. Shi, T. Gehren, and G. Zhao, Statistical equilibrium of silicon in the atmospheres

of nearby metal-poor stars, Astronomy and Astrophysics 534, 103 (2011).

(13) X. Liu, Y.B. Wang, Z.H. Li et al., Angular distribution of the 6He+p elastic scattering,

Chin. Phys. C, 2012, accepted.

项目负责人签字及部门审核意见表