21世紀最大的難題之一：宇宙大爆炸後，元素是如何形成的？

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網（www.bokeyuan.net）

核物理領域一個長期存在的謎團是：為什麼宇宙是由我們周圍看到的特定物質組成？換句話說，為什麼它是由「這個」的東西，而不是其他的東西組成？特別令人感興趣的是負責產生重元素（如金、鉑和鈾）的物理過程，這些過程被認為發生在中子星合併和超新星爆炸事件期間。來自美國能源部阿貢國家實驗室(DOE)的科學家們，領導了一項在歐洲核子研究組織(CERN)進行的國際核物理實驗，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。

該實驗利用阿貢國家實驗室開發的新技術，研究宇宙中重元素的性質和起源。這項研究可能會為共同創造「奇異」核的過程提供關鍵見解，並將為恆星事件和早期宇宙的模型提供信息。參與合作的核物理學家是第一個觀察到質子少於鉛、中子超過126個原子核的中子殼結構，這是核物理領域的「幻數」。在這些幻數（其中8、20、28、50和126是正規值）下，原子核的穩定性增強了，就像惰性氣體對封閉的電子殼層那樣。

中子數超過幻數126的原子核很大程度上沒有被探測到，因為它們很難產生。對它們行為的了解，對於理解產生宇宙中許多重元素的快速中子捕獲過程或r過程至關重要。r過程被認為發生在極端恆星條件下，如中子星合併或超新星。這些富含中子的環境是原子核可以快速生長的地方，在中子有機會衰變之前捕獲中子來產生新的更重元素，這項實驗的重點是汞的同位素Hg207。

對Hg207的研究可能有助於揭示其近鄰元素的性質，即直接參與r過程關鍵方面的原子核。這項研究的首席科學家、阿貢物理學家本·凱說：本世紀最大的問題之一是宇宙開始時（宇宙大爆炸後）元素是如何形成的，研究很困難，因為我們不能就這樣從地球上挖出一顆超新星，所以我們必須創造這些極端環境，並研究其中發生的反應。為了研究Hg207的結構，研究人員首先使用了瑞士日內瓦歐洲核子研究中心的HIE-Isolde設備。

  • 圖示：歐洲核子研究中心(CERN)的Isolde螺線管光譜儀內部

一束高能質子束被發射到熔化的鉛靶上，由此產生的碰撞產生了數百種奇異和放射性的同位素。然後，從其他碎片中分離出Hg206的原子核，並使用歐洲核子研究中心的HIE-Isolde加速器，創建了一束能量最高的原子核，這是該加速器設施有史以來實現的最高能量。然後，將光束聚焦在新的Isolde螺線管譜儀(ISS)內的氘目標上。除此外，沒有其他設備可以製造這種質量的汞原子束，並將它們加速到這麼高的能量。

這一點，再加上國際空間站卓越的解析度，讓我們首次能夠觀測到Hg207激發態的光譜。國際空間站有一種新開發的磁譜儀，核物理學家用它來探測Hg206核捕獲中子並變成Hg207的實例。光譜儀螺線管磁鐵是澳大利亞一家醫院的回收4特斯拉超導磁共振磁鐵。由於利物浦大學、曼徹斯特大學、達累斯伯裡實驗室和比利時魯汶大學合作者之間以英國為首的合作，它被轉移到CERN並安裝在Isolde。

氘是氫的一種稀有重同位素，由質子和中子組成，當Hg206捕獲氘靶上的中子時，質子就會反衝。在這些反應中發射的質子傳輸到國際空間站的探測器，它們的能量和位置產生了關於原子核結構和它是如何結合在一起的關鍵信息。這些性質對r過程有重大影響，其結果可以指導核天體物理模型中的重要計算，國際空間站使用了一個由阿貢傑出研究員約翰·希弗提出的開創性概念。

該概念是作為實驗室螺旋軌道光譜儀HELIOS建造，該儀器啟發了國際空間站光譜儀的發展。對曾經無法研究的核特性進行探索，但多虧了HELIOS，自2008年以來一直在阿貢進行。歐洲核子研究中心的Isolde設施可以產生原子束，補充阿貢可以製造的原子束。在過去的一個世紀裡，核物理學家已經能夠從輕離子束撞擊重目標的碰撞，研究中收集到關於原子核的信息。

然而，當重光束擊中輕質目標時，碰撞的物理特性會變得扭曲，更難解析。Argonne的HELIOS概念是消除這種失真的解決方案，當光束擊中脆弱的目標時，運動學就會改變，由此產生的光譜就會被壓縮。但當碰撞發生在磁鐵內部時，發射出的質子以螺旋模式向探測器移動，通過數學上的『把戲』，這展開了運動學壓縮，導致未壓縮的光譜揭示了潛在的核結構。

對CERN實驗數據的首次分析，證實了當前核模型的理論預測，該團隊計劃利用這些新能力研究Hg207區域的其他核，從而對核物理的未知區域和r過程有更深的洞察。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室

參考期刊《物理評論快報》

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