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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(chǎn)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(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(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。基于該測量結(jié)果，研究團隊推導(dǎo)出核躍遷強度，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個機構(gòu)的科學(xué)家組成的國際研究團隊共同完成。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）