為解讀宇宙校準數據庫 | 科技前線

宇宙中約95%的物質是暗物質和暗能量，而在不足5%的可見物質里，99%以上是以熾熱等離子體狀態存在，其中存在大量自由電子和帶電原子核（離子）。

要理解恒星燃燒、星系演化乃至生命元素起源，就要讀懂等離子體中的“成分”，其關鍵是一種名為“雙電子復合”（Dielectronic Recombination，DR）的微觀“量子舞蹈”。

中國科學院近代物理研究所等基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環（CSR），為這把解讀宇宙的“鑰匙”進行精密的校準。

▲基于重離子儲存環的雙電子復合實驗示意圖

01

宇宙的“體檢報告”：

X射線光譜與原子數據庫

由于距離遙遠，我們無法直接接觸那些溫度動輒百萬、甚至上億攝氏度的天體等離子體，但它們會釋放出一種特殊的“光”——X射線。

天體物理學家通過分析這些X射線光譜的“指紋”，可以解讀遙遠等離子體的溫度、密度、成分以及能量狀態等信息。

但解讀這些X射線“體檢報告”并非易事。要精確解讀這些譜線，我們需要一個極其詳盡的“密碼本”——原子數據庫（它包含了各種離子在不同能量下可能發生的物理過程的理論預測數據）。

近年來的研究揭示，對于具有復雜電子結構的離子，傳統理論模型難以給出可靠DR速率預測，許多計算值甚至比實驗低達兩個數量級。

蘭州重離子加速器冷卻儲存環（CSR），為開展關鍵原子數據的精密測量提供了優越的實驗平臺。

02

中國實驗室：

校準宇宙的“數據庫”

基于CSR的電子-離子復合精密譜學實驗，憑借其極高的能量分辨率和可大范圍精密調控的電子-離子相對能量，可以實現精確測量低能區碰撞復合截面的功能。

科研團隊首次精確測量了鈉離子態鐵（Fe15+），在0到90電子伏特（eV）能區的DR速率系數。

實驗發現三種理論程序在0eV-40eV能區與實驗高度吻合，但在40eV-90eV能區存在顯著差異。研究團隊通過相對論多體微擾理論修正后，成功解釋了異常峰位。

▲類鈉Fe15+離子的雙電子復合精密譜，測量的電子-離子相對能量范圍為0eV- 90eV

實驗進而表明，傳統原子數據庫（如基于自旋軌道LS耦合的計算）在低溫區（103K-105K）系統性地低估了DR速率系數，誤差高達數倍。

▲類鈉Fe15+離子的等離子體速率系數，黑實線為實驗結果，其他數據為此前的理論計算結果

未來，中國科學家有望利用正在建造的強流重離子加速器裝置（HIAF），將這場“量子舞蹈”的觀測精度推向全新高度。

HIAF核心實驗終端——高精度環形譜儀（SRing）搭載的超冷電子靶技術，能使雙電子復合譜的能量分辨率提升1到2個量級，如同為量子世界配備了“超清顯微鏡”。可以進一步研究極端電磁場條件下的量子電動力學效應，探索超出標準模型的新物理。

▲超冷電子靶為開展高精度DR實驗提供獨一無二的實驗條件

論文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/adcc25

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.73.20240211

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.74.20241589

作者：黃厚科、黃忠魁、汶偉強

來源：中國科學院近代物理研究所

責任編輯：曹旸