宇宙中约95%的物质是暗物质和暗能量，而在不足5%的可见物质里，99%以上是以炽热等离子体状态存在，其中存在大量自由电子和带电原子核（离子）。
要理解恒星燃烧、星系演化乃至生命元素起源，就要读懂等离子体中的“成分”，其关键是一种名为“双电子复合”（Dielectronic Recombination，DR）的微观“量子舞蹈”。
中国科学院近代物理研究所等基于兰州重离子加速器冷却储存环（CSR），为这把解读宇宙的“钥匙”进行精密的校准。
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▲基于重离子储存环的双电子复合实验示意图
01
宇宙的“体检报告”：
X射线光谱与原子数据库
由于距离遥远，我们无法直接接触那些温度动辄百万、甚至上亿摄氏度的天体等离子体，但它们会释放出一种特殊的“光”——X射线。
天体物理学家通过分析这些X射线光谱的“指纹”，可以解读遥远等离子体的温度、密度、成分以及能量状态等信息。
但解读这些X射线“体检报告”并非易事。要精确解读这些谱线，我们需要一个极其详尽的“密码本”——原子数据库（它包含了各种离子在不同能量下可能发生的物理过程的理论预测数据）。
近年来的研究揭示，对于具有复杂电子结构的离子，传统理论模型难以给出可靠DR速率预测，许多计算值甚至比实验低达两个数量级。
兰州重离子加速器冷却储存环（CSR），为开展关键原子数据的精密测量提供了优越的实验平台。
02
中国实验室：
校准宇宙的“数据库”
基于CSR的电子-离子复合精密谱学实验，凭借其极高的能量分辨率和可大范围精密调控的电子-离子相对能量，可以实现精确测量低能区碰撞复合截面的功能。
科研团队首次精确测量了钠离子态铁（Fe15+），在0到90电子伏特（eV）能区的DR速率系数。
实验发现三种理论程序在0eV-40eV能区与实验高度吻合，但在40eV-90eV能区存在显著差异。研究团队通过相对论多体微扰理论修正后，成功解释了异常峰位。
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▲类钠Fe15+离子的双电子复合精密谱，测量的电子-离子相对能量范围为0eV- 90eV
实验进而表明，传统原子数据库（如基于自旋轨道LS耦合的计算）在低温区（103K-105K）系统性地低估了DR速率系数，误差高达数倍。
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▲类钠Fe15+离子的等离子体速率系数，黑实线为实验结果，其他数据为此前的理论计算结果
未来，中国科学家有望利用正在建造的强流重离子加速器装置（HIAF），将这场“量子舞蹈”的观测精度推向全新高度。
HIAF核心实验终端——高精度环形谱仪（SRing）搭载的超冷电子靶技术，能使双电子复合谱的能量分辨率提升1到2个量级，如同为量子世界配备了“超清显微镜”。可以进一步研究极端电磁场条件下的量子电动力学效应，探索超出标准模型的新物理。
▲超冷电子靶为开展高精度DR实验提供独一无二的实验条件
论文链接：
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：黄厚科、黄忠魁、汶伟强
来源：中国科学院近代物理研究所
责任编辑：曹旸