史无前例的细节：核嬗变产物的探测革新 

图片展示了GODDESS系统及其配套的GRETINA，以及实验者们。第一排左起：罗格斯大学的Heather Garland, Chad Ummel 和Gwen Seymour，以及田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK）和橡树岭国家实验室（ORNL）的Rajesh Ghimire；第二排左起：来自UTK的Josh Hooker和来自ORNL的Steven Pain。 （图片来源：Andrew Ratkiewicz/橡树岭国家实验室，美国能源部）

古希腊人相信自然世界的一切都来自于他们的女神弗西斯（Physis）的恩赐，正是她的名字是“物理（Physics）”的由来。现在，橡树岭国家实验室的核物理学家们却自己创造了“女神”。被赋予“女神（GODDESS）”之名的是一台探测器，它能够深入探究产生比氢元素（大爆炸后被创造的最轻的元素）更重的元素的宇宙核反应。

在橡树岭国家实验室，研究人员们开发了一台目前最先进的、被称为橡树岭罗格斯大学桶形阵列（Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, ORRUBA）的带电粒子探测器来研究天体物理中重要的放射性原子核束流的反应。最近，该装置的硅基传感器得到改造，它们被紧密地排列在一起，以便与第三代伽马能谱仪Gammasphere 、次世代伽马射线追踪探测器系统GRETINA等锗基伽马射线探测器协同工作。经过改造后的机器就是为试验结构研究而生的双重探测器GODDESS—Gammasphere/GRETINA ORRUBA。

GODDESS达到了毫米级位置分辨率，可以记录放射性原子核在发生得失质子或中子的核反应时释放的高能射线，如伽马射线，或质子、氘核、氚核、氦-3、α粒子束等带电粒子束流。

“硅基探测器检测到的带电粒子可以说明原子核是如何形成的，而伽马射线可以说明它们又是如何衰变的，”橡树岭国家实验室物理部门的Steven Pain解释道。“为了构建原子核反应的完整图景，我们将两种数据相融合，并将其当作由同一个探测器收集到的数据。”

今年早些时候，Pain领导着参与GODDESS项目的来自12个研究机构的50位科学家去了解各种元素的宇宙起源。他是两个实验课题的首席研究者，同时担任另一个实验课题的共同首席研究者。据估计，光是分析这些复杂的实验中产生的数据就要花费两年时间。

“宇宙中几乎所有稳定的重原子核都是先通过不稳定的原子核反应，然后回归稳定而形成的，”Pain说。

GODDESS的ORRPURA组件，该早期型号不够紧凑，无法与伽马射线探测器捷联。其会被运送至墨西哥州大学进行单独的钾-38研究（为了新星研究的需要），以及后期与GRETINA协同工作研究锗-80（与理解过程相关）。

（图片来源：Steven Pain/橡树岭国家实验室，美国能源部）

核嬗变的一百年

1911年，恩内斯特·卢瑟福在实验中惊讶的发现，较重且带正电荷的α粒子偶尔会被意外的弹回。他得出结论，认为这些被弹回的α粒子一定撞上了某种极端致密并且带正电的物质，而这只有将原子几乎所有质量都集中在原子的中心才有可能实现。由此，卢瑟福发现了原子核。他开始着手研究核子—质子和中子，这两种粒子构成了原子核，并被电子轨道壳层所包围。

原子核得到、交换或者失去中子，都可以使一种元素转换为另一种元素。而在恒星中发生的该过程则被称为核合成（nucleosynthesis）。一系列粒子散射实验的反常实验结果使卢瑟福震惊：一个氮-14原子核和一个α粒子通过核反应生成了一个氧-17原子核和一个质子。这是人类第一次实现人工核反应。这项创举于1919年发表，并促进了新发明的云室的改进、推动了短寿命原子核（占原子核数量的90%）的发现，也启发了至今仍在物理学占首要地位的一系列实验。

“一个世纪之前，人类观测者通过显微镜计数闪光的数量来断定第一次稳定同位素的核反应的发生，”Pain指出。从学术上讲，Pain是卢瑟福的“玄孙”：Pain的博士生导师是Wilton Catford，而他的导师的导师的导师正是卢瑟福。“现在，GODDESS这样的先进探测器可以使我们高精度地探测难以研究的不稳定放射性原子核，而正是这些原子核驱动宇宙中的爆炸产生了我们周围的稳定元素。”

ORRUBA现在足够紧凑，可以被塞入一个直径为14英尺的球体中。一束粒子束流携带放射性原子核从球体左侧直射入球体，轰击位于中心的标靶。球体中闪闪发亮的硅基探测器组成了ORRUBA的桶形结构的“桶板”。

（图片来源：Steven Pain/橡树岭国家实验室，美国能源部）

理解热核暴涨

Pain负责的一个实验课题的主要方向是磷-30，这对于理解某些热核暴涨十分重要。“我们希望了解恒星爆炸中最常见的新星爆发中的核合成过程，”Pain说。新星出现于双星系统中，一个白矮星通过引力作用从它的伴星吸引富氢物质直到热核暴涨发生，白矮星的表层发生爆炸。这种爆炸的余烬会改变星系的化学构成。

田纳西大学的研究生Rajesh Ghimire正致力于分析磷元素的实验数据。该实验从标靶中的氘原子核中获得一个中子，并将其转移到短寿命的放射性同位素磷-30高能粒子束中。粒子探测器和伽马射线探测器检测发生的现象，其对应时间、位置以及产生的质子和伽马射线的能量。

在新星爆发中，磷-30原子核对于产生的大部分重元素的比率有重要的影响。如果人们了解了磷-30如何反应，这种元素比率就可以被用于测量新星爆发的峰值温度。“这将是可观察的，人们可以通过天文望远镜看到，”Pain说。

GODDESS测量一束放射性束流轰击氘元素的标靶发生的转移反应。标靶位于硅基传感器构成的桶形结构中。“在各方向上都有很多硅（传感器），”Pain说。“无论粒子从什么方向放出，我们都能检测到它。” （图片来源：Steven Pain/橡树岭国家实验室，美国能源部）

阐明重元素的创生

Pain负责的第二项实验课题使一个重的多的同位素--碲-134--发生嬗变。“这种原子核参与了快中子捕获过程，即r-过程。在宇宙中，比铁元素重的元素中有一半都是通过r-过程形成的，”Pain描述道。r-过程出现于具有大量自由中子的场所，超新星或中子星合并有可能成为这样的场所。“我们知道r-过程会发生，因为我们周围就存在着r-过程反应产生的重元素，但是r-过程发生的时间和位置尚不明确。”

位于墨西哥州大学的美国能源部的科学研究设施，计划于2022年启用的稀有同位素束流设施（FRIB）的主要用途为即研究r-过程核合成。通过FRIB，研究人员可以进行稀有同位素、核天体物理和基本相互作用方向的研究，以及针对医药、国土安全和工业的应用研究。

“r-过程是一个非常复杂的反应网络，由许许多多的部分组成，”Pain强调，“仅通过一次实验是不可能得到答案的。”

碲-134试验从放射性元素锎出发。试验所用锎元素由橡树岭国家实验室合成，安置在美国能源部科学研究设施--阿贡实验室的串联直线加速器系统（ATLAS）上。锎进行自发裂变，其裂变产物中包含碲-134。碲-134束流被加速轰击氘元素标靶，并氘元素吸收一个中子，留下一个质子。“碲-134进去，碲-135出来，”Pain总结道。

“我们通过GODDESS的硅基探测器检测质子，而碲-135束流继续运动。质子的能量和角度将揭示我们合成的碲-135的能级—它可能处于基态或某个激发态。激发态的碲-135衰变并释放伽马射线。”锗基探测器以史无前例的分辨率揭示伽马射线的能级，来展示原子核是如何衰变的。随后原子核进入一个气体探测器，留下一条由于部分电子被外界捕获而导致的离子化的气体轨迹。测量探测器不同区域的能量分布使研究者们得以清楚地辨识原子核。

罗格斯大学的研究生Chad Ummel正致力于实验的分析。Pain说，“我们正努力了解碲-134在不同的潜在发生场所的r-过程中发挥的作用。中子捕获反应网络的反应流影响了产生元素的丰度。我们需要知道这个反应网络以了解重元素的起源。”

GODDESS的未来

为了当前在阿贡实验室和墨西哥州大学的GODDESS的使用，以及未来稀有同位素束流设施的使用，研究人员会继续开发相应的设备和技术，这将使研究人员可以对很多不稳定的原子核进行一些开拓性的研究。未来的实验将会采用两种策略。

第一种实验策略将使用分离了其他原子核的快原子核束流。Pain将包含多样的核产物的束流比作混乱的动物园，高速原子核束流经过一系列磁铁来选出需要的“斑马”，并丢弃掉不需要的“长颈鹿”，“斑羚”和“河马”。

第二种方法用某种材料挡住离子束流后将它们再电离，接着赶在放射性衰变前将其再次加速。Pain解释道，“这使得你将所有斑马赶进围栏，使它们安定下来，然后以你需要的方向、比率和速度将它们带出围栏。”

驯化使构建行星和人类成为可能的元素，这的确是物理“女神”的职责。

翻译：朱奕宁

审校：罗广桢

引进来源：橡树岭国家实验室