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近期，由多個國際研究團隊組成的合作組利用德國亥姆霍茲重離子研究中心(GSI/FAIR)的儲存環(huán)，首次成功測量了全剝離的鉈-205離子的束縛態(tài)β衰變壽命。這一測量對于理解漸近巨星分支（AGB）恒星中放射性鉛-205的產生機制及確定太陽形成時間具有重要意義。該研究成果發(fā)表在《自然》雜志上，中國科學院近代物理研究所儲存環(huán)核物理室在該研究中做出了重要貢獻。

科學家通過分析太陽形成初期產生的長壽命放射性核素的衰變產物，推斷太陽從其前身分子云團到最終成型，可能經歷了幾千萬年的時間。這些放射性核素主要通過慢中子俘獲過程產生，而這一過程發(fā)生在太陽系附近的AGB恒星中。盡管自太陽誕生以來的46億年間，這些核素已經全部衰變，但它們的衰變產物仍然在隕石中留下了可以被檢測到的微量過剩豐度。鉛-205的半衰期為一千七百萬年，是唯一一種僅由慢中子俘獲過程產生的放射性核素，其豐度為研究太陽形成提供了獨特的科學依據。

在AGB恒星環(huán)境中，鉛-205的最終豐度由鉛-205與鉈-205之間的衰變率決定。幾億開爾文的溫度足以使鉈-205原子完全電離,并通過一種極為罕見的衰變模式（束縛態(tài)β衰變）形成鉛-205。此外，鉛-205的第一激發(fā)態(tài)僅比基態(tài)高出2.3千電子伏特，在高溫環(huán)境中，鉛-205有很大的概率處于激發(fā)態(tài)上。反過來，處于激發(fā)態(tài)的中性鉛-205也能更快地通過軌道電子俘獲衰變成鉈-205。在恒星環(huán)境中，兩個方向的衰變都可能發(fā)生，決定性因素是恒星的溫度、電子密度以及核躍遷強度。而核躍遷強度正是鉛-205與鉈-205之間衰變率理論計算中最大的未知數。

在本研究中，科學家首次通過實驗測量得到²⁰⁵Tl⁸¹⁺的束縛態(tài)β衰變半衰期約為291天，是理論預期值的4.7倍?；谠摐y量結果，研究團隊推導出核躍遷強度，并進一步準確計算出鉛-205與鉈-205“衰變對”在AGB恒星條件下的衰變率。

該實驗從上世紀80年代提出設想，凝聚了數十年的技術積累和幾代科學家的努力。這一測量首先要產生全剝離的²⁰⁵Tl⁸¹⁺離子，并將其保持在全剝離狀態(tài)數小時以上。在全球范圍內，目前只有GSI/FAIR重離子實驗儲存環(huán)（ESR）與碎片分離器（FRS）結合的設施能夠實現這一目標。為了滿足實驗需求，團隊研發(fā)了多項關鍵技術，包括通過核反應生成全剝離的鉈-205，在碎片分離器中進行目標離子的純化和分離，以及在儲存環(huán)內對離子進行積累、冷卻、儲存和測量等技術。

研究團隊將實驗結果結合天體物理模型，成功推導出了鉛-205在AGB恒星中慢中子俘獲過程的產生量，并通過與隕石中監(jiān)測到的鉛-205的豐度相比較發(fā)現：從母分子云形成太陽的時間為1千萬到2千萬年。該結果與慢中子俘獲過程產生的其他放射性核素推導出來的結果一致。

該工作由來自12個國家、37個機構的科學家組成的國際研究團隊共同完成。中國科學院近代物理研究所儲存環(huán)核物理室作為主要貢獻團隊在實驗開展等方面發(fā)揮了重要作用。

圖：鉈-205和鉛-205在天體環(huán)境中元素合成過程的路徑及相關能級信息。左圖表示與鉈-205和鉛-205相關的慢中子俘獲過程路徑（藍色箭頭）以及其它核衰變路徑。右圖顯示了鉈-205和鉛-205在不同電離狀態(tài)下的能級關系。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08130-4

（儲存環(huán)核物理室 供稿）