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近期，由多個國際研究團(tuán)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(chǎn)生機(jī)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(xué)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(xiàn)。

科學(xué)家通過分析太陽形成初期產(chǎn)生的長壽命放射性核素的衰變產(chǎn)物，推斷太陽從其前身分子云團(tuán)到最終成型，可能經(jīng)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(chǎn)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(jīng)全部衰變，但它們的衰變產(chǎn)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(chǎn)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(xué)依據(jù)。

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(qiáng)度。而核躍遷強(qiáng)度正是鉛-205與鉈-205之間衰變率理論計算中最大的未知數(shù)。

在本研究中，科學(xué)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(yù)期值的4.7倍?；谠摐y量結(jié)果，研究團(tuán)隊推導(dǎo)出核躍遷強(qiáng)度，并進(jìn)一步準(zhǔn)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(jì)80年代提出設(shè)想，凝聚了數(shù)十年的技術(shù)積累和幾代科學(xué)家的努力。這一測量首先要產(chǎn)生全剝離的²⁰⁵Tl⁸¹⁺離子，并將其保持在全剝離狀態(tài)數(shù)小時以上。在全球范圍內(nèi)，目前只有GSI/FAIR重離子實驗儲存環(huán)（ESR）與碎片分離器（FRS）結(jié)合的設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。為了滿足實驗需求，團(tuán)隊研發(fā)了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括通過核反應(yīng)生成全剝離的鉈-205，在碎片分離器中進(jìn)行目標(biāo)離子的純化和分離，以及在儲存環(huán)內(nèi)對離子進(jìn)行積累、冷卻、儲存和測量等技術(shù)。

研究團(tuán)隊將實驗結(jié)果結(jié)合天體物理模型，成功推導(dǎo)出了鉛-205在AGB恒星中慢中子俘獲過程的產(chǎn)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(xiàn)：從母分子云形成太陽的時間為1千萬到2千萬年。該結(jié)果與慢中子俘獲過程產(chǎn)生的其他放射性核素推導(dǎo)出來的結(jié)果一致。

該工作由來自12個國家、37個機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的國際研究團(tuán)隊共同完成。中國科學(xué)院近代物理研究所儲存環(huán)核物理室作為主要貢獻(xiàn)團(tuán)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(guān)能級信息。左圖表示與鉈-205和鉛-205相關(guān)的慢中子俘獲過程路徑（藍(lán)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(guān)系。

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

（儲存環(huán)核物理室 供稿）