科學家解開了黃金製造背後20年的核子謎團

金和鉑等重元素是在不尋常的條件下形成的，包括恆星坍塌、爆炸或碰撞時。這些事件觸發快速中子擷取過程（或簡稱 r 過程）。在此過程中，原子核快速連續地吸收中子。隨著原子核變得更重、更不穩定，它最終會衰變為更輕、更穩定的形式。

沿著核藍圖的這條路徑，一個常見的序列涉及母核的β衰變，然後釋放兩個中子。參與這些相互作用的原子核極為罕見且不穩定，使得它們很難甚至不可能在實驗中直接研究。因此，科學家嚴重依賴理論模型，而這些模型必須使用實驗室數據進行測試和改進。

CERN ISOLDE 設施中的稀有原子核研究

為了更仔細地研究這個過程，德州大學的研究人員與多個機構的科學家合作。團隊包括德州大學研究生 Peter Diesel 和 Jacob Gouge、Robert Grzewicz 教授、Miguel Madurga 副教授和研究員 Monika Persa-Selkowska。他們的工作也依賴研究助理教授徐正宇開發的數據分析方法。

研究人員從大量稀有同位素銦-134 開始。

「這些核心很難製造，需要大量新技術才能實現足夠數量的製造，」格熱維奇解釋道。

該團隊在 CERN 的 ISOLDE 衰變站進行了實驗，該站產生了大量的銦-134 原子核，並使用先進的雷射分離技術來確保其純度。當 Ind-134 分解時，會產生激發態的 Tin-134、Tin-133 和 Tin-132。

科學家利用美國國家科學基金會主要研究儀器計畫資助並在德州大學建立的中子探測器揭示了三個關鍵發現。最重要的結果是首次測量了與兩個延遲β中子發射相關的中子能量。

「中子發射是最重要的，」格熱維奇說。

延遲β中子發射僅發生在外來核中，這些核不穩定且僅短暫存在。將兩個中子與原子核分離所需的能量非常小，但在這個實驗中，它足夠大，足以測量它。

「這很困難的原因是中子喜歡彈跳。很難判斷它是一個還是兩個，」格熱維奇解釋道。在先前的嘗試中，“沒有人測量過能量”，因此這種方法“開闢了一個全新的領域”。

這項研究代表了沿著過程 r 路徑的原子核發射兩個中子的首次詳細研究。這些結果為改進描述恆星事件如何產生黃金等重元素的模型提供了有價值的資訊。

錫中期待已久的中子態

該團隊的第二個重大發現是首次觀察到長期預測的錫 133 中的單粒子中子態。根據 Grzewachs 的說法，原子核一開始處於激發態，必須釋放能量才能穩定。

「錫處於激發狀態。（它）必須冷卻。它可以吐出一個中子，或者，如果有足夠的能量，它可以吐出兩個中子。它應該總是吐出兩個中子，但它沒有。”

傳統上，科學家認為錫核只是釋放中子來冷卻，有效地失去了先前β衰變事件的任何痕跡。在這種情況下，內核的行為就像一個“失憶內核”，不記得它是如何形成的。

「我們說錫罐令人難忘，」格熱維奇說。 “銦的‘影子’並沒有完全消失。記憶也沒有被刪除。”

先進的中子探測器使研究人員能夠探測到這種難以捉摸的核狀態。這項觀察結果表明，目前的理論解釋並不完整，科學家需要一個更複雜的框架來解釋為什麼有些衰變釋放一個中子，而有些則釋放兩個中子。

「人們尋找了它 20 年，我們找到了它，」格熱維奇說。 “這兩個中子讓我們看到了這種狀態。”

他指出，新觀察到的情況代表了中子發射序列的中間階段。它也代表了tin-133核的最終初級激發，這有助於完成核結構的圖片並提高理論計算的準確性。

第三個發現挑戰了目前的模型

研究也揭示了第三個重要發現。研究人員觀察到，這種新發現的疾病的人口規模具有統計意義。簡而言之，該州人口在下降期間的發生方式並不遵循科學家通常預期的模式。

Grzywacz解釋說，這次實驗的腐爛環境比較乾淨。核子國家是分開的，並不擁擠在一起。

「你不會做豌豆湯，」他說。 「然而，在大多數情況下，它的表現就像豌豆湯。不知何故，這種統計機制發生了。為什麼它是統計性的，儘管它不應該是統計性的，為什麼在我們的船員中不是這樣？”

結果表明，當科學家探索核景觀中遠離穩定的區域時，尤其是像田納西這樣的外來核中，目前的模型可能不再適用。可能需要新的理論方法來描述這些極端系統。

好奇心推動新發現

尋找改進的核結構和元素組成模型為像迪塞爾這樣的早期職業科學家提供了巨大的機會。 2022年加入Grzywacz研究小組，並擔任該書第一作者 實體評論信 一篇描述這些發現的論文。

他在實驗期間的職責範圍廣泛。迪澤爾為中子追蹤探測器建造了框架，並將它們組裝在實驗裝置內。他安裝了電子系統，設置了貝塔探測器，進行了測試測量，幫助開發了數據收集程序，修改了計時系統，並分析了所得數據。儘管其作用廣泛，但該計畫仍然是許多研究人員共同努力的結果。

「這項工作的成功部分歸功於我的同事和合作者，他們的指導和建設性意見至關重要，」他說。

迪塞爾來自佛羅裡達州傑克遜維爾，在北佛羅裡達大學獲得物理學學士學位後加入了德克薩斯大學。他對核科學的興趣始於他的普通化學課程，當時他第一次了解了β衰變。核轉變可以創造具有不同性質的全新元素的想法引起了他的注意，最初導致他考慮攻讀化學學位。

「直到我獲得學士學位後，我才開始上物理課，這立即促使我攻讀物理學位，」他解釋道。 “我一直對了解世界如何運作感興趣，而物理學曾經是並將繼續是我追求這種好奇心所想遵循的道路。”