物理与天文学院苏俊教授课题组和合作者在太阳成分问题研究中取得重要突破

北京师范大学物理与天文学院苏俊教授课题组联合中国原子能科学研究院谌阳平研究员、南方科技大学柳卫平教授等团队，在“太阳成分问题”研究中取得突破性进展，相关成果以“Enhanced S-Factor for the 14N(p, γ)15O Reaction and Its Impact on the Solar Composition Problem”为题，于12月2日在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

太阳成分（主要指太阳金属丰度）是理解太阳结构、演化及恒星物理的基准参数之一。21世纪初，先进光谱技术测得的太阳金属丰度值显著降低，与日震学观测结果产生矛盾，这一“太阳成分问题”成为天体物理学界悬而未决的核心难题之一。近年来，太阳CNO中微子通量的观测取得重要进展，其观测值和理论预测值的对比可以为约束太阳C、N元素丰度提供全新路径。太阳内部的中微子由pp链和CNO循环核反应产生，其中14N(p, γ)15O反应是决定CNO中微子产生速率的关键环节，但由于在太阳核心温度下该反应截面极低，其天体物理S因子精确测量长期面临巨大挑战。

针对上述难题，联合研究团队利用自主研发的LAMBDA大型模块化探测阵列，依托中国科学院核能安全技术研究所的强流加速器平台，创新性采用多通道贝叶斯分析方法，在110–260 keV能区首次实现了14N(p, γ)15O反应所有跃迁通道S因子的同步高精度测量。分析得到的零能S因子较现有国际权威综述(Solar Fusion III)推荐值提高约15%，且精度首次提升至5%水平。基于新的实验结果，研究团队重新评估了太阳光球层的CN丰度，结果与最新光谱观测支持的“高金属丰度”模型高度吻合（图1）。尽管受限于当前的中微子观测精度，本工作仍无法排除“低金属丰度”模型，但S因子精度的显著提高已为下一代高精度中微子探测实验最终破解太阳成分丰度问题铺平了道路。

图1：基于本次工作重新评估的太阳光球层 CN 丰度，并与 Borexino 实验结果及高、低金属丰度模型（HZ、LZ）的预测区间进行对比。

本研究通过技术创新攻克了CNO循环中关键反应14N(p, γ)15O反应的精确测量难题，不仅为解决 “太阳成分问题”提供了关键实验依据，其高精度S因子数据也将对大质量恒星演化等天体物理研究产生深远影响。

北京师范大学博士研究生陈鑫为论文第一作者，北京师范大学苏俊教授、中国原子能科学研究院谌阳平研究员、南方科技大学柳卫平教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中核集团“青年英才”项目等资助，以及中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所在加速器运行方面的全力支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/q756-hzmt。