中科院上海应用物理研究所核物理研究室与清华大学物理系合作，基于他们新发展的用于低能核反应的多道、多能级的约化R-矩阵理论，迭代拟合¹⁶O核系统几乎所有可用的实验数据，外推得到了内部自恰的¹²C(α,γ)¹⁶O反应天体物理S因子及其反应率。这是首次在理论上给出满足恒星演化与元素核合成模型精确度要求（不确定度低于10%）的¹²C(α,γ)¹⁶O天体物理反应率。相关研究论文于近日分别在线发表于Astrophysical Journal Letters (ApJ, 817, L5 (2016))和Physical Review C (PRC 92,045802 (2015))上。 

在恒星氦燃烧阶段，3α和¹²C(α,γ)¹⁶O反应相互竞争，两者的反应速率共同决定了氦燃烧结束后¹²C与¹⁶O的丰度比，该值是大质量恒星后继演化以及伴随的元素核合成过程的初始条件。这些过程对¹²C(α,γ)¹⁶O在恒星环境中温度为T₉ = 0.2 (单位10⁹ K，质心系能量0.3 MeV)处的反应率极为敏感。1983年诺贝尔奖获得者William Fowler曾明确指出：确定¹²C/¹⁶O丰度比和太阳中微子疑难是核天体物理学亟待解决的两个基本问题，并将¹²C(α,γ)¹⁶O反应称为核天体物理学的“圣杯”。目前最为直接和可靠地获取¹²C(α,γ)¹⁶O反应率的方法，就是尽可能往低能区测量其天体物理S因子，通过理论外推到感兴趣的能区，进而计算给出天体物理反应率。 

上海应用物理所博士生安振东在马余刚研究员的指导下，与合作者清华大学陈振鹏教授基于经典的R-矩阵方法发展了用于低能核反应的多道、多能级的约化R-矩阵理论。配合使用协方差统计和误差传播理论，迭代拟合¹⁶O系统几乎所有可用的40余家实验数据，外推给出氦燃烧起始0.3 MeV处总的S因子为162.7±7.3 keV b。同时基于R-矩阵分析给出的全能区的S因子，计算给出了温度位于0.04 ≤ T₉ ≤ 10的¹²C(α,γ)¹⁶O天体物理反应率。在T₉ = 0.2处, 推荐的反应率为(7.83 ± 0.35)×10¹⁵ cm³mol⁻¹s⁻¹，相对误差为4.5%。该反应率的获得有助于科学家理解上至铁区的中等质量核素的合成、铁区以后重元素经s、r和p等过程核合成的反应机制，以及大质量恒星随后的演化进程（白矮星的冷却、超新星爆发、中子星和大质量的X射线黑洞双星的形成）等。 

目前，核物理研究室正在筹建上海光源线站工程II期之一的上海激光电子伽玛源（SLEGS）线站。建成之后有望测量质心系能量0.3 MeV附近对应的逆反应¹⁶O(γ,α)¹²C的积分截面，将有助于在实验上直接解决¹²C(α,γ)¹⁶O反应率这一核天体物理学“圣杯”问题。 

本项目得到了国家自然科学基金，基金委创新群体项目，“973”项目等的联合资助。（核物理研究室 供稿）

图一、¹²C(α,γ)¹⁶O反应总的S因子拟合与外推结果。
 
图二、¹²C(α,γ)¹⁶O反应天体物理反应比较。