21世紀(jì)最大難題之一：宇宙大爆炸后，元素是如何形成的？

本文作者或來(lái)源或原發(fā)表在：

博科園官網(wǎng)：www.bokeyuan.net

和手機(jī)軟件：博科園

核物理領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)是：為什么宇宙是由我們周圍看到的特定物質(zhì)組成？換句話說(shuō)，為什么它是由“這個(gè)”的東西，而不是其他的東西組成？特別令人感興趣的是負(fù)責(zé)產(chǎn)生重元素（如金、鉑和鈾）的物理過(guò)程，這些過(guò)程被認(rèn)為發(fā)生在中子星合并和超新星爆炸事件期間。來(lái)自美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(DOE)的科學(xué)家們，領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)在歐洲核子研究組織(CERN)進(jìn)行的國(guó)際核物理實(shí)驗(yàn)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。

該實(shí)驗(yàn)利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，研究宇宙中重元素的性質(zhì)和起源。這項(xiàng)研究可能會(huì)為共同創(chuàng)造“奇異”核的過(guò)程提供關(guān)鍵見(jiàn)解，并將為恒星事件和早期宇宙的模型提供信息。參與合作的核物理學(xué)家是第一個(gè)觀察到質(zhì)子少于鉛、中子超過(guò)126個(gè)原子核的中子殼結(jié)構(gòu)，這是核物理領(lǐng)域的“幻數(shù)”。在這些幻數(shù)（其中8、20、28、50和126是正規(guī)值）下，原子核的穩(wěn)定性增強(qiáng)了，就像惰性氣體對(duì)封閉的電子殼層那樣。

中子數(shù)超過(guò)幻數(shù)126的原子核很大程度上沒(méi)有被探測(cè)到，因?yàn)樗鼈兒茈y產(chǎn)生。對(duì)它們行為的了解，對(duì)于理解產(chǎn)生宇宙中許多重元素的快速中子捕獲過(guò)程或r過(guò)程至關(guān)重要。r過(guò)程被認(rèn)為發(fā)生在極端恒星條件下，如中子星合并或超新星。這些富含中子的環(huán)境是原子核可以快速生長(zhǎng)的地方，在中子有機(jī)會(huì)衰變之前捕獲中子來(lái)產(chǎn)生新的更重元素，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是汞的同位素Hg207。

對(duì)Hg207的研究可能有助于揭示其近鄰元素的性質(zhì)，即直接參與r過(guò)程關(guān)鍵方面的原子核。這項(xiàng)研究的首席科學(xué)家、阿貢物理學(xué)家本·凱說(shuō)：本世紀(jì)最大的問(wèn)題之一是宇宙開(kāi)始時(shí)（宇宙大爆炸后）元素是如何形成的，研究很困難，因?yàn)槲覀儾荒芫瓦@樣從地球上挖出一顆超新星，所以我們必須創(chuàng)造這些極端環(huán)境，并研究其中發(fā)生的反應(yīng)。為了研究Hg207的結(jié)構(gòu)，研究人員首先使用了瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的HIE-Isolde設(shè)備。

圖示：歐洲核子研究中心(CERN)的Isolde螺線管光譜儀內(nèi)部

一束高能質(zhì)子束被發(fā)射到熔化的鉛靶上，由此產(chǎn)生的碰撞產(chǎn)生了數(shù)百種奇異和放射性的同位素。然后，從其他碎片中分離出Hg206的原子核，并使用歐洲核子研究中心的HIE-Isolde加速器，創(chuàng)建了一束能量最高的原子核，這是該加速器設(shè)施有史以來(lái)實(shí)現(xiàn)的最高能量。然后，將光束聚焦在新的Isolde螺線管譜儀(ISS)內(nèi)的氘目標(biāo)上。除此外，沒(méi)有其他設(shè)備可以制造這種質(zhì)量的汞原子束，并將它們加速到這么高的能量。

這一點(diǎn)，再加上國(guó)際空間站卓越的分辨率，讓我們首次能夠觀測(cè)到Hg207激發(fā)態(tài)的光譜。國(guó)際空間站有一種新開(kāi)發(fā)的磁譜儀，核物理學(xué)家用它來(lái)探測(cè)Hg206核捕獲中子并變成Hg207的實(shí)例。光譜儀螺線管磁鐵是澳大利亞一家醫(yī)院的回收4特斯拉超導(dǎo)磁共振磁鐵。由于利物浦大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、達(dá)累斯伯里實(shí)驗(yàn)室和比利時(shí)魯汶大學(xué)合作者之間以英國(guó)為首的合作，它被轉(zhuǎn)移到CERN并安裝在Isolde。

氘是氫的一種稀有重同位素，由質(zhì)子和中子組成，當(dāng)Hg206捕獲氘靶上的中子時(shí)，質(zhì)子就會(huì)反沖。在這些反應(yīng)中發(fā)射的質(zhì)子傳輸?shù)絿?guó)際空間站的探測(cè)器，它們的能量和位置產(chǎn)生了關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)和它是如何結(jié)合在一起的關(guān)鍵信息。這些性質(zhì)對(duì)r過(guò)程有重大影響，其結(jié)果可以指導(dǎo)核天體物理模型中的重要計(jì)算，國(guó)際空間站使用了一個(gè)由阿貢杰出研究員約翰·希弗提出的開(kāi)創(chuàng)性概念。

該概念是作為實(shí)驗(yàn)室螺旋軌道光譜儀HELIOS建造，該儀器啟發(fā)了國(guó)際空間站光譜儀的發(fā)展。對(duì)曾經(jīng)無(wú)法研究的核特性進(jìn)行探索，但多虧了HELIOS，自2008年以來(lái)一直在阿貢進(jìn)行。歐洲核子研究中心的Isolde設(shè)施可以產(chǎn)生原子束，補(bǔ)充阿貢可以制造的原子束。在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，核物理學(xué)家已經(jīng)能夠從輕離子束撞擊重目標(biāo)的碰撞，研究中收集到關(guān)于原子核的信息。

然而，當(dāng)重光束擊中輕質(zhì)目標(biāo)時(shí)，碰撞的物理特性會(huì)變得扭曲，更難解析。Argonne的HELIOS概念是消除這種失真的解決方案，當(dāng)光束擊中脆弱的目標(biāo)時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)就會(huì)改變，由此產(chǎn)生的光譜就會(huì)被壓縮。但當(dāng)碰撞發(fā)生在磁鐵內(nèi)部時(shí)，發(fā)射出的質(zhì)子以螺旋模式向探測(cè)器移動(dòng)，通過(guò)數(shù)學(xué)上的‘把戲’，這展開(kāi)了運(yùn)動(dòng)學(xué)壓縮，導(dǎo)致未壓縮的光譜揭示了潛在的核結(jié)構(gòu)。

對(duì)CERN實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的首次分析，證實(shí)了當(dāng)前核模型的理論預(yù)測(cè)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這些新能力研究Hg207區(qū)域的其他核，從而對(duì)核物理的未知區(qū)域和r過(guò)程有更深的洞察。

博科園｜研究/來(lái)自：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)