科学家重现宇宙反应以解开天文之谜 _天文之谜

化学元素，我们宇宙的基石，是如何构建的?一个世纪的大部分时间里，这个问题一直是核物理学的核心。

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20世纪初，科学家发现元素有一个中心核或原子核。这些原子核由不同数量的质子和中子组成。
现在，密歇根州立大学稀有同位素束设施 (FRIB) 的科学家们已经建造并测试了一种设备，该设备将允许对重元素或具有大量质子和中子的元素进行关键洞察。能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的物理学家 Ben Kay 领导了这项工作。FRIB 是能源部科学用户设施办公室。
Kay 和他的团队使用名为 SOLARIS 的设备完成了他们的第一个实验，它代表用于反应研究的电磁波谱仪。计划中的实验将揭示有关核反应的信息，这些反应产生了我们世界上一些最重的元素，从铁到铀。
还计划进行外来同位素实验。同位素是质子数相同但中子数不同的元素。科学家将某些同位素称为外来同位素，因为它们的质子与中子的比率不同于地球上自然存在的通常稳定或寿命长的同位素。其中一些不稳定同位素在天文事件中发挥着重要作用。
“爆炸的恒星，巨大坍缩恒星的合并，我们现在正在了解这些事件核心的核反应的细节，”凯说。“有了 SOLARIS，我们能够在地球上重现这些反应，亲眼看到它们。”
新设备紧随阿贡的螺旋轨道光谱仪 HELIOS 的脚步。两者都使用类似医院中发现的磁共振成像 (MRI) 机器的类似用途的超导磁体。在这两种方法中，一束粒子都射向真空室内的目标材料。当粒子与目标碰撞时，会发生转移反应。在这种反应中，根据粒子及其在碰撞中使用的能量，中子或质子从原子核中移除或添加。
“通过记录碰撞释放或偏转的各种粒子的能量和角度，我们能够收集有关这些同位素中原子核结构的信息，”凯说。“创新的 SOLARIS 设计提供了必要的解决方案，以增强我们对这些奇异原子核的理解。”
SOLARIS 真正独特之处在于它可以用作双模式光谱仪，这意味着它可以使用高强度或极低强度光束进行测量。“SOLARIS 可以在这两种模式下运行，”凯解释说。“一个在真空中使用传统的硅探测器阵列。另一个使用密歇根州立大学主动目标时间投影室的新型充气目标，由 SOLARIS 团队成员和 FRIB 高级物理学家 Daniel Bazin 领导。第一个实验测试了AT-TPC 。” AT-TPC 使科学家能够使用较弱的光束并仍然以所需的高精度收集结果。
AT-TPC 本质上是一个充满气体的大室，它既是光束的目标，也是探测器的介质。这与使用硅探测器阵列和单独的薄固体目标的传统真空室不同。
【科学家重现宇宙反应以解开天文之谜】“通过用气体填充腔室，您可以确保来自低强度光束的更少、更大的粒子与目标材料接触，”凯说。这样，科学家们就可以研究这些碰撞的产物。
该团队的第一个实验由 FRIB 的研究助理 Clementine Santamaria 领导，研究了氧 16(我们星球上最常见的氧同位素)衰变成更小的阿尔法粒子。特别是，氧 16 原子核中的 8 个质子和 8 个中子分裂成总共四个 α 粒子，每个粒子由两个质子和两个中子组成。
“通过确定氧 16 如何像这样衰变，可以与‘霍伊尔态’进行比较，这是一种碳同位素的激发态，我们认为它在恒星中碳的产生中起着关键作用，”凯解释道。
Kay 和他的团队在这个实验中记录了超过 200 万次反应事件，并观察到了几个氧 16 衰变成 α 粒子的实例。
SOLARIS 的双重功能将允许进行比以前更广泛的核反应实验，并让科学家们对宇宙的一些最大奥秘有了新的见解。