宇宙中已知最古老极贫金属星中的钙元素起源问题，至今仍然是一个谜。这些恒星也被称为第一代星、Pop III星或原初恒星。之前的理论认为，这些钙可能来源于‘热’碳氮氧循环的突破反应。然而氟俘获质子的突破反应¹⁹F(p,g)²⁰Ne 在天体物理感兴趣的伽莫夫能区尚无实验数据，导致恒星演化模型难以解释天文观测数据。在地面实验室由于宇宙射线本底的影响，人们一直无法对该反应进行伽莫夫能区的直接测量。锦屏深地实验室为研究该反应提供了绝佳的极低本底环境。

中国锦屏地下实验室(CJPL)覆盖岩层厚达2400多米，居世界之首。宇宙射线通量比意大利格兰萨索地下LUNA实验室还要低大约100倍。锦屏II期新建了8实验洞用于开展多学科深地科学研究。其中，A1实验洞用于建设核天体物理JUNA实验装置。在基金委重大项目、中科院仪器项目以及中核集团自主投入项目的牵引下，JUNA实验装置由中国原子能科学研究院牵头，联合中科院近代物理研究所、北京师范大学、清华大学等科研单位于2020年底深地建成出束，为核天体反应直接测量提供了世界一流的条件。

JUNA项目子课题负责人北京师范大学何建军教授带领科研团队经过几年的艰苦攻关，成功研制出目前耐辐照能力最强的¹⁹F注入靶，解决了“卡脖子”的关键技术问题。于2021年初，利用锦屏加速器提供的强流质子束成功将该突破反应¹⁹F(p,g)²⁰Ne从之前的240 keV一直向下推进至186 keV能量点，触碰到了第一代星感兴趣的伽莫夫能区，并幸运地在225 keV处发现了一个新的共振（见图1）。在第一代星最感兴趣的0.1 GK温度附近，此新共振的发现使得¹⁹F(p,g)²⁰Ne的反应率比之前NACRE数据库中的推荐值大了5.4~7.4倍，并将之前0.1 GK温度附近的反应率不确定度从几个数量级缩小至50%左右（见图2），极大地降低了该反应率在天体网络计算中所引入的误差。同时，与天体物理学家合作，研究了该反应率在第一代星中的影响，计算表明¹⁹F(p,g)²⁰Ne反应从‘温’碳氮氧循环循环突破出去的概率比之前预想的要大7倍左右，解释了极贫金属星SMSS0313-6708中观测到的钙丰度问题（见图3）。另外，强有力地支持了第一代星的弱超新星爆模型，排除了其他天体模型的可能性。詹姆斯•韦布太空望远镜JWST的关键科学目标之一即是对宇宙中最古老的第一代星和星系的探测。因此，本工作为研究JWST未来的观测目标提供了可靠的核物理输入量。

JUNA测量的¹⁹F(p,g)²⁰Ne反应的产额曲线。其中发现的新共振位于225.2 keV，红色实线为R-矩阵拟合的结果。CO08为以前地面实验的数据，JUNA代表锦屏深地实验的数据。

¹⁹F(p,g)²⁰Ne反应率与NACRE数据库推荐值的比较。其中，小插图表示0.14 GK温度下的比值。带颜色的带子表示相应反应率的不确定度。其中红色的线为JUNA的结果。

天体物理模型计算的第一代星中钙的丰度。其中，I：简化模型；II：混合对流模型；III：完整模型灰色虚线表示极贫金属星SMSS0313-6708的观测丰度。其中红色的点为JUNA的结果。

相关研究结果近日以“Measurement of¹⁹F(p,g)²⁰Ne reaction suggests CNO break-out in first stars”为题发表在《自然》（Nature）期刊上。北京师范大学核科学与技术学院张立勇副教授为论文第一作者，何建军教授为第一通讯作者，美国圣母大学M. Wiescher教授和中国原子能科学研究院柳卫平研究员为共同通讯作者。北京师范大学核科学与技术学院为论文的第一单位。该工作得到了国家基金委杰出青年基金以及重大项目等的资助。

论文链接： www.nature.com/articles/s41586-022-05230-x