科學家重塑了大爆炸後發生的核反應

Scientists Recreated the Nuclear Reaction That Happened Right After the Big Bang

科學家重塑了大爆炸後發生的核反應

By Caroline Delbert

 

• 研究人員解決了大爆炸後早期發生的反應中的關鍵變量。

• 通過轟擊的方式將質子射入到氘雲中，科學家們模擬了早期元素結合形成氦同位素的方式。

• 質子吸收圖的計算速率和後續的檢測手段，為科學家提供了繼續研究的新工具。

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位於意大利一座山底深處的一個實驗室裏，科學家對緊隨大爆炸之後的核反應進行了新的測量。科學家說，通過使用比以往任何時候都更先進的材料和儀器來重新構建了所需的條件，科學家說，他們已經對這種核反應進行了具有最高保真度的模擬，這也反映了我們對大爆炸發生後的情況的了解。

在《自然》雜誌上，研究人員對他們的實驗做出了如下解釋：

“輕的元素是在宇宙形成的最初幾分鍾內，通過一係列稱為大爆炸（BBN）¹

的核反應過程中合成。 我們用強質子束轟擊了高純度氘氣靶，並檢測了核反應產生的γ射線。 我們的實驗結果解決了BBN計算中最不確定的核物理輸入問題，並大大提高了使用原始豐度探測早期宇宙物理學的可靠性。”

研究人員使用“定期校正”的氘（這是大爆炸之後形成的最早合成物之一）和非常特殊的激光來測量氘結合成氚的速度。 通過用質子束轟擊氘雲，科學家可以直接觀察質子如何與氘核結合形成氚。

這個核反應的特別之処在於，它是我們了解早期宇宙狀態的關鍵。 因為從來沒有人知道這種反應的關鍵部分所在，科學家們依據合理的猜測，看看甚至讓氘捕獲質子有多容易？ 氘分子以什麽速率吸收質子變成氚？

量子（Quanta)雜誌的湯姆斯.雷頓（Thomas Lewton）解釋說：“最重要的是，不確定性阻止了物理學家將這張圖片與38萬年後的，當宇宙已經冷卻到足以使電子開始繞原子核運行時的宇宙圖景進行比對。”

這意味著科學家的實驗對其結果進行了非常簡單的成敗測試。 當他們用質子束轟擊氘氣，並測量了產生的氦氣量，他們需要將這個值插入到現在已知的大量背景輻射數據，以及38萬年後的其他數據中。值得慶幸的是，他們的數據值與算式完美匹配。

該研究也引發了連鎖反應，例如：解析了係統中的第一個方程式，然後使用新發現的數值替換其他數值。 在這種情況下，了解氘的質子吸收率可以更好地了解隨後發生的無數化學過程。

研究人員總結說：“我們的實驗結果解決了BBN計算中最不確定的核物理輸入問題，並大大提高了使用原始豐度探測早期宇宙物理學的可靠性。”

一大塊缺失的碎片已被發現，其形狀很像氚。

注釋： 1 -  原初核合成（BBN）是物理宇宙學的一個概念，指宇宙在早期階段產生H-1（最常見，也是最輕的氫同位素，隻有單獨的一個質子）之外原子核的過程。原初核合成在大爆炸之後隻經曆了幾分鍾，相信與一些較重的同位素的形成，如氘（H-2或D）、氦的同位素（He-3和He-4）、鋰的同位素（Li-6和Li-7）的形成有密切的關係。除了這些穩定的原子核之外，還有一些不穩定的放射性同位素在原初核合成之際也形成了：氚（H-3）、鈹（Be-7和Be-8）。這些不穩定的同位素不是蛻變就是融合成前述其它的穩定同位素。（所有這些原子核通常表示為^NX，此處X = 這些元素的標準名稱，N = 原子量的數值，但是這兒將簡單的標示為X-N。）