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发生在中子星的爆炸,如何让原子核产生?原子核内部发生了什么?

发生在中子星的爆炸,如何让原子核产生?原子核内部发生了什么?
2020年04月02日 12:20 新浪网 作者 博科园

  由马萨诸塞州洛厄尔大学核物理学家领导的一项发现,可能会改变科学家对原子的理解,并有助于解释外层空间的极端现象。这一突破揭示了存在于原子核中的对称性,并不像科学家认为的那样基本。这一发现揭示了原子核内的作用力,为更好地理解宇宙打开了大门,其研究发现发表在《自然》期刊上。

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  这一发现是在马萨诸塞州洛厄尔大学领导的团队,致力于确定X射线爆发(发生在中子星表面的爆炸)中原子核是如何产生的,中子星是大质量恒星生命末期的残留物。该研究小组的负责人、加州大学马萨斯分校洛厄尔分校物理学助理教授安德鲁·罗杰斯说:我们正在研究这些原子的原子核内部发生了什么,以更好地理解这些宇宙现象,并最终回答科学上最大的问题之一:化学元素是如何在宇宙中产生的?

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  这项研究得到了美国能源部对马萨诸塞州洛厄尔大学的资助,由密歇根州立大学国家超导回旋实验室(NSCL)进行。在实验室里,科学家们创造了奇异的原子核来测量它们的性质,以便了解它们作为物质、宇宙和生命本身基石所扮演的角色。原子是物质的一些最小单位,每个原子都包括围绕其核心深处微小原子核运行的电子,原子核几乎包含了其所有的质量和能量。

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  质子数决定了原子属于元素周期表上的哪种元素,从而决定了原子的化学组成。一种元素的同位素具有相同数目的质子,但具有不同数目的中子。在NSCL,原子核被加速到接近光速,并被粉碎成碎片,产生了一种罕见的同位素锶-73,这在地球上不是自然存在的,但在中子星表面猛烈的热核X射线爆发期间可以短暂存在,锶的这种同位素含有38个质子和35个中子,寿命只有零点几秒。

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  研究小组日以继夜地工作了八天,创造了400多个锶-73原子核,并将它们与溴-73的已知性质进行了比较,溴-73是一种含有35个质子和38个中子的同位素。随着质子和中子数目的互换,溴-73核被认为是锶-73核的“镜像伙伴”。由于质子和中子之间的相似性,原子核中存在镜像对称性,这是科学家理解核物理的基础。大约每隔半小时,研究人员就会制造一个锶-73原子核,将其运送到NSCL的同位素分离器中。

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  然后将该原子核停在一个复杂探测器阵列的中心,在那里可以观察到它的行为。通过研究这些原子核的放射性衰变,科学家们发现锶-73的行为与溴-73完全不同,这一发现提出了关于核力的新问题。研究发现,锶-73和溴-73在结构上应该是相同的,但令人惊讶的是并非如此。探测自然界中存在的对称性,对物理学家来说是一个非常强大的工具。当对称性被破坏时,这表明我们的理解有问题,需要更仔细地观察。

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  研究的主要作者,马萨诸塞州洛厄尔大学大学副研究员丹尼尔·霍夫说:科学家们所看到的将挑战核理论。比较锶-73和溴-73的原子核就像看着镜子,认不出自己,一旦确信我们看到的是真的,就非常兴奋。作为团队研究的一部分,最先进的理论计算由密歇根州立大学研究助理王思敏进行,并由密歇根州立大学(MSU)著名物理学教授、将于明年开放的稀有同位素光束设施(FRIB)首席科学家威托德·纳扎雷维奇指导。

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  博科园|研究/来自:马萨诸塞州洛厄尔大学

  参考期刊《自然》

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