「产业前沿」物理学家研究重元素的起源欧洲核子研究中心的伊索尔德螺线管光谱

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欧洲核子研究中心的伊索尔德螺线管光谱仪。资料来源:阿贡国家实验室
核物理学界长期以来的一个谜团是，为什么宇宙是由我们在周围看到的特定物质组成的。换句话说，为什么它是由“这个”物质而不是其他物质构成的?
特别令人感兴趣的是产生重元素的物理过程，如金、铂和铀，这些物质被认为发生在中子星合并和恒星爆炸事件中。
美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的科学家们在欧洲核子研究中心(CERN)领导了一项国际核物理实验，该实验利用阿贡开发的新技术来研究宇宙中重元素的性质和起源。这项研究可能会对共同形成奇异核的过程提供重要的见解，并将为恒星事件和早期宇宙的模型提供信息。
【「产业前沿」物理学家研究重元素的起源】参与合作的核物理学家首次观察到原子核的中子壳结构，其质子数比铅少，中子数超过126个——这在核物理领域是“神奇的数字” 。
在这些神奇的数字中， 8、20、28、50和126是标准值，原子核增强了稳定性，就像稀有气体对封闭电子层的作用一样。中子数超过126这一神奇数字的原子核大部分尚未被探索，因为它们很难产生。了解它们的行为对于理解产生宇宙中许多重元素的快速中子捕获过程(r-process)至关重要。
r-过程被认为发生在极端的恒星条件下，如中微子-恒星合并或超新星。在这些富含中子的环境中，原子核可以迅速生长，在中子有机会衰变之前捕获中子以产生新的和更重的元素。
本实验以汞同位素207Hg为研究对象。 207Hg的研究可以揭示它的近邻的性质，这些近邻的原子核直接参与了r过程的关键方面。
“本世纪最大的问题之一是，这些元素是如何在宇宙形成之初形成的， ”阿贡的物理学家本·凯(BenKay)说，他是这项研究的首席科学家。 “很难进行研究，因为我们不能只是从地球上挖出一颗超新星，所以我们必须创造这些极端的环境，研究在这些环境中发生的反应。 ”
为了研究207Hg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设施。一束高能质子射向一个熔化的铅靶，由此产生的碰撞产生了数百种外来的和放射性的同位素。
然后，他们将206Hg原子核从其他碎片中分离出来，并使用欧洲核子研究中心的HIE-ISOLDE加速器制造出一束原子核，其能量达到了该加速器所能达到的最高水平。然后，他们将光束聚焦在新的固体固体螺线管光谱仪(ISS)内的一个氘靶上。
凯说:“没有其他设施可以制造出这种质量的水星光束，并将它们加速到这些能量。 ”“再加上国际空间站卓越的分辨率，我们首次观测到了207Hg的激发态光谱。 ”
国际空间站是一个新开发的磁谱仪，核物理学家们用它来探测206Hg原子核捕获一个中子并变成207Hg的实例。光谱仪的螺线管磁铁是来自澳大利亚一家医院的4特斯拉超导核磁共振磁铁。由于英国领导的利物浦大学、曼彻斯特大学、达瑞斯伯里实验室和比利时鲁汶大学的合作者的合作，它被转移到欧洲核子研究中心，并安装在伊索尔德。
氘是氢的一种稀有的重同位素，由质子和中子组成。当206Hg从氘靶捕获一个中子时，质子会反冲。在这些反应过程中发射出的质子会被送到国际空间站的探测器上，它们的能量和位置会产生关于原子核结构及其结合方式的关键信息。这些性质对r过程有重要的影响，其结果可用于核天体物理学模型的重要计算。
国际空间站使用了由阿贡杰出的约翰·希弗提出的一个开创性的概念，这个概念是作为实验室的螺旋轨道光谱仪而建立的，太阳神号——这个仪器激发了国际空间站光谱仪的发展。太阳神号允许对曾经无法研究的核特性进行探索，但由于太阳神号的存在，自2008年以来在阿贡进行了探索。欧洲核子研究中心的伊索尔德(ISOLDE)设施可以产生核束，与阿尔贡(Argonne)的设施形成互补。