中國科學院上海應用物理研究所核物理研究室與清華大學物理系合作，基于他們新發展的用于低能核反應的多道、多能級的約化R-矩陣理論，迭代擬合16O核系統幾乎所有可用的實驗數據，外推得到了內部自恰的12C(α,γ)16O反應天體物理S因子及其反應率。這是首次在理論上給出滿足恒星演化與元素核合成模型精確度要求（不確定度低于10%）的12C(α,γ)16O天體物理反應率。相關研究論文于近日分別在線發表于Astrophysical Journal Letters (ApJ, 817, L5 (2016))和Physical Review C (PRC 92,045802 (2015))上。
在恒星氦燃燒階段，3α和12C(α,γ)16O反應相互競爭，兩者的反應速率共同決定了氦燃燒結束后12C與16O的豐度比，該值是大質量恒星后繼演化以及伴隨的元素核合成過程的初始條件。這些過程對12C(α,γ)16O在恒星環境中溫度為T9 = 0.2 (單位109 K，質心系能量0.3 MeV)處的反應率極為敏感。1983年諾貝爾獎獲得者William Fowler曾明確指出：確定12C/16O豐度比和太陽中微子疑難是核天體物理學亟待解決的兩個基本問題，并將12C(α,γ)16O反應稱為核天體物理學的“圣杯”。目前最為直接和可靠的獲取12C(α,γ)16O反應率的方法，就是盡可能往低能區測量其天體物理S因子，通過理論外推到感興趣的能區，進而計算給出天體物理反應率。
上海應物所博士生安振東在研究員馬余剛的指導下，與合作者清華大學教授陳振鵬基于經典的R-矩陣方法發展了用于低能核反應的多道、多能級的約化R-矩陣理論。配合使用協方差統計和誤差傳播理論，迭代擬合16O系統幾乎所有可用的40余家實驗數據，外推給出氦燃燒起始0.3 MeV處總的S因子為162.7±7.3 keV b。同時基于R-矩陣分析給出的全能區的S因子，計算給出了溫度位于0.04 ≤ T9 ≤ 10的12C(α,γ)16O天體物理反應率。在T9 = 0.2處，推薦的反應率為(7.83 ± 0.35)×1015 cm3mol?1s?1，相對誤差為4.5%。該反應率的獲得有助于科學家理解上至鐵區的中等質量核素的合成、鐵區以后重元素經s、r和p等過程核合成的反應機制，以及大質量恒星隨后的演化進程（白矮星的冷卻、超新星爆發、中子星和大質量的X射線黑洞雙星的形成）等。
目前，核物理研究室正在籌建上海光源線站工程II期之一的上海激光電子伽瑪源（SLEGS）線站。建成之后有望測量質心系能量0.3 MeV附近對應的逆反應16O(γ,α)12C的積分截面，將有助于在實驗上直接解決12C(α,γ)16O反應率這一核天體物理學“圣杯”問題。
該項目得到國家自然科學基金，基金委創新群體項目，“973”項目等的聯合資助。
圖1. 12C(α,γ)16O反應總的S因子擬合與外推結果
圖2. 12C(α,γ)16O反應天體物理反應比較