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21世纪最大的难题之一:宇宙大爆炸后,元素是如何形成的?

核物理领域一个长期存在的谜团是:为什么宇宙是由我们周围看到的特定物质组成?换句话说,为什么它是由“这个”的东西,而不是其他的东西组成?

核物理领域一个长期存在的谜团是:为什么宇宙是由我们周围看到的特定物质组成?换句话说,为什么它是由“这个”的东西,而不是其他的东西组成?特别令人感兴趣的是负责产生重元素(如金、铂和铀)的物理过程,这些过程被认为发生在中子星合并和超新星爆炸事件期间。来自美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的科学家们,领导了一项在欧洲核子研究组织(CERN)进行的国际核物理实验,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

该实验利用阿贡国家实验室开发的新技术,研究宇宙中重元素的性质和起源。这项研究可能会为共同创造“奇异”核的过程提供关键见解,并将为恒星事件和早期宇宙的模型提供信息。参与合作的核物理学家是第一个观察到质子少于铅、中子超过126个原子核的中子壳结构,这是核物理领域的“幻数”。在这些幻数(其中8、20、28、50和126是正规值)下,原子核的稳定性增强了,就像惰性气体对封闭的电子壳层那样。

中子数超过幻数126的原子核很大程度上没有被探测到,因为它们很难产生。对它们行为的了解,对于理解产生宇宙中许多重元素的快速中子捕获过程或r过程至关重要。r过程被认为发生在极端恒星条件下,如中子星合并或超新星。这些富含中子的环境是原子核可以快速生长的地方,在中子有机会衰变之前捕获中子来产生新的更重元素,这项实验的重点是汞的同位素Hg207。

对Hg207的研究可能有助于揭示其近邻元素的性质,即直接参与r过程关键方面的原子核。这项研究的首席科学家、阿贡物理学家本·凯说:本世纪最大的问题之一是宇宙开始时(宇宙大爆炸后)元素是如何形成的,研究很困难,因为我们不能就这样从地球上挖出一颗超新星,所以我们必须创造这些极端环境,并研究其中发生的反应。为了研究Hg207的结构,研究人员首先使用了瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的HIE-Isolde设备。

  • 图示:欧洲核子研究中心(CERN)的Isolde螺线管光谱仪内部

一束高能质子束被发射到熔化的铅靶上,由此产生的碰撞产生了数百种奇异和放射性的同位素。然后,从其他碎片中分离出Hg206的原子核,并使用欧洲核子研究中心的HIE-Isolde加速器,创建了一束能量最高的原子核,这是该加速器设施有史以来实现的最高能量。然后,将光束聚焦在新的Isolde螺线管谱仪(ISS)内的氘目标上。除此外,没有其他设备可以制造这种质量的汞原子束,并将它们加速到这么高的能量。

这一点,再加上国际空间站卓越的分辨率,让我们首次能够观测到Hg207激发态的光谱。国际空间站有一种新开发的磁谱仪,核物理学家用它来探测Hg206核捕获中子并变成Hg207的实例。光谱仪螺线管磁铁是澳大利亚一家医院的回收4特斯拉超导磁共振磁铁。由于利物浦大学、曼彻斯特大学、达累斯伯里实验室和比利时鲁汶大学合作者之间以英国为首的合作,它被转移到CERN并安装在Isolde。

氘是氢的一种稀有重同位素,由质子和中子组成,当Hg206捕获氘靶上的中子时,质子就会反冲。在这些反应中发射的质子传输到国际空间站的探测器,它们的能量和位置产生了关于原子核结构和它是如何结合在一起的关键信息。这些性质对r过程有重大影响,其结果可以指导核天体物理模型中的重要计算,国际空间站使用了一个由阿贡杰出研究员约翰·希弗提出的开创性概念。

该概念是作为实验室螺旋轨道光谱仪HELIOS建造,该仪器启发了国际空间站光谱仪的发展。对曾经无法研究的核特性进行探索,但多亏了HELIOS,自2008年以来一直在阿贡进行。欧洲核子研究中心的Isolde设施可以产生原子束,补充阿贡可以制造的原子束。在过去的一个世纪里,核物理学家已经能够从轻离子束撞击重目标的碰撞,研究中收集到关于原子核的信息。

然而,当重光束击中轻质目标时,碰撞的物理特性会变得扭曲,更难解析。Argonne的HELIOS概念是消除这种失真的解决方案,当光束击中脆弱的目标时,运动学就会改变,由此产生的光谱就会被压缩。但当碰撞发生在磁铁内部时,发射出的质子以螺旋模式向探测器移动,通过数学上的‘把戏’,这展开了运动学压缩,导致未压缩的光谱揭示了潜在的核结构。

对CERN实验数据的首次分析,证实了当前核模型的理论预测,该团队计划利用这些新能力研究Hg207区域的其他核,从而对核物理的未知区域和r过程有更深的洞察。

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