宇宙中有一類元素，連恒星爆炸最主流的核合成理論都無(wú)法解釋它們的起源，物理學(xué)家為此困惑了超過(guò)六十年。

現(xiàn)在，一項(xiàng)首次完成的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，把這個(gè)謎題向前推進(jìn)了關(guān)鍵一步，同時(shí)也揭示了謎底背后還藏著更深的未知。

為什么這些元素讓科學(xué)家頭疼了六十年

要理解這項(xiàng)突破，先得知道宇宙元素的“出生證明"是怎么簽發(fā)的。

比鐵重的元素，大多數(shù)是通過(guò)中子俘獲過(guò)程合成的。原子核不斷吸收中子，經(jīng)歷放射性衰變，逐步積累質(zhì)量，最終穩(wěn)定下來(lái)，成為我們?cè)谧匀唤缰杏^測(cè)到的各種重元素。這套理論優(yōu)美、自洽，解釋了大多數(shù)重元素的起源。

但有一類特殊的同位素，對(duì)這套解釋完全免疫。

這就是所謂的“p核"，一類富含質(zhì)子的稀有同位素，從最輕的硒-74，一直到最重的汞-196，共約35種。它們無(wú)法通過(guò)中子俘獲產(chǎn)生，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)子數(shù)遠(yuǎn)多于中子數(shù)，中子俘獲路徑根本到不了它們所在的位置。

在太陽(yáng)系的元素豐度中，p核的含量極低，通常只占同元素其他同位素的百分之一甚至更少，但它們確實(shí)存在，確實(shí)需要一個(gè)解釋。

目前最被廣泛接受的理論是“伽馬過(guò)程"，發(fā)生在某些類型的超新星爆炸內(nèi)部。在那里，極端的高溫產(chǎn)生大量高能伽馬射線，這些伽馬射線轟擊已有的重核，剝離其中的中子和其他粒子，最終留下質(zhì)子比例更高的原子核，部分經(jīng)過(guò)后續(xù)衰變，形成p核。

問(wèn)題在于，這個(gè)過(guò)程涉及大量壽命極短的放射性同位素，在實(shí)驗(yàn)室里根本無(wú)法穩(wěn)定制備，更別說(shuō)直接測(cè)量了。幾十年來(lái)，科學(xué)家只能依靠理論模型來(lái)估算各個(gè)反應(yīng)的速率，而這些模型的不確定性相當(dāng)巨大，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)之間的差距始終難以彌合。

第一次直接測(cè)量，把不確定性壓縮了一半

這項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的新研究，正面突破了這個(gè)長(zhǎng)期瓶頸。

研究由阿爾忒彌斯·桑蒂里領(lǐng)導(dǎo)完成，她曾是密歇根州立大學(xué)稀有同位素束設(shè)施FRIB的研究生，目前是加拿大里賈納大學(xué)的博士后研究員。研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自美國(guó)、加拿大和歐洲共20個(gè)機(jī)構(gòu)，超過(guò)45名科學(xué)家參與其中。

他們完成的，是人類歷史上第一次對(duì)砷-73俘獲質(zhì)子生成硒-74這一反應(yīng)的直接測(cè)量。

硒-74是最輕的p核，也是整個(gè)p核家族中最具代表性的研究對(duì)象之一。要了解它在超新星中如何產(chǎn)生和被摧毀，關(guān)鍵之一就是弄清楚在伽馬過(guò)程中，它被高能伽馬射線擊碎、釋放出質(zhì)子的速率，這個(gè)逆向反應(yīng)的速率，可以通過(guò)測(cè)量正向反應(yīng)來(lái)間接確定。

實(shí)驗(yàn)在FRIB的ReA加速器上完成。研究團(tuán)隊(duì)專門產(chǎn)生了一束放射性砷-73，將其導(dǎo)入充滿氫氣的反應(yīng)腔，氫原子作為質(zhì)子來(lái)源，位于一臺(tái)名為SuN的探測(cè)器中心。當(dāng)砷-73核吸收一個(gè)質(zhì)子，在激發(fā)態(tài)下變?yōu)槲?74，隨即釋放伽馬射線回到穩(wěn)定狀態(tài)，探測(cè)器捕捉到這一完整過(guò)程的信號(hào)。

這種實(shí)驗(yàn)方式被稱為“逆運(yùn)動(dòng)學(xué)"，讓放射性核束去轟擊固定靶，繞開(kāi)了無(wú)法制備穩(wěn)定砷-73靶材的工程困難。這是FRIB這類設(shè)施存在的核心意義之一：讓此前不可能的實(shí)驗(yàn)變成可能。

測(cè)量結(jié)果被納入天體物理模型后，對(duì)硒-74在超新星中產(chǎn)生豐度的預(yù)測(cè)不確定性，從原來(lái)的水平下降了整整一半。這是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，意味著理論模型對(duì)這一最輕p核的描述能力顯著提升。

然而，結(jié)果同時(shí)帶來(lái)了新的麻煩。

即便有了更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，更新后的模型仍然無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)自然界中觀測(cè)到的硒-74豐度，理論與現(xiàn)實(shí)之間依然存在無(wú)法忽視的缺口。這意味著，要么超新星內(nèi)部的物理?xiàng)l件比現(xiàn)有假設(shè)更復(fù)雜，要么p核的形成機(jī)制還涉及其他尚未被納入模型的過(guò)程。

這些結(jié)果讓我們更接近理解宇宙中一些最稀有同位素起源，“實(shí)驗(yàn)原設(shè)計(jì)師、密歇根州立大學(xué)教授阿爾忒彌斯·斯皮魯說(shuō)，"但也清楚地告訴我們，故事還沒(méi)有結(jié)束。"

研究者們把這個(gè)結(jié)果視為積極信號(hào)而非挫折。六十年來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的直接測(cè)量數(shù)據(jù)，理論模型一直在沒(méi)有約束的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，第一塊實(shí)驗(yàn)基石已經(jīng)放下，不確定性被壓縮了一半，剩下的那一半不確定性指向的，是更值得追問(wèn)的真實(shí)物理問(wèn)題。

下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃沿著同樣的路徑，對(duì)更多p核相關(guān)的關(guān)鍵反應(yīng)展開(kāi)直接測(cè)量，逐步把理論模型建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而非純粹推算的基礎(chǔ)上。

宇宙中最稀有的那些元素，正在慢慢開(kāi)口說(shuō)話。