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中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所參與國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)研究，首次測(cè)量得到鉈-205離子的束縛態(tài)β衰變半衰期，為理解太陽長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了重要信息。相關(guān)成果于近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。近代物理所儲(chǔ)存環(huán)核物理室作為主要貢獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)開展等方面發(fā)揮了重要作用。

太陽是地球生命的主要能量來源，通過核聚變過程產(chǎn)生巨大的能量。在這一過程中，太陽會(huì)釋放出中微子，這些粒子為我們探索太陽內(nèi)部動(dòng)態(tài)提供了重要線索。盡管現(xiàn)代中微子探測(cè)器能夠揭示太陽當(dāng)前的活動(dòng)情況，但太陽在數(shù)百萬年間（這一時(shí)間段內(nèi)地球曾經(jīng)歷顯著的氣候變化）的穩(wěn)定性仍是一個(gè)未解的科學(xué)難題。

為了深入研究這一科學(xué)問題，科學(xué)家于上世紀(jì)80年代提出紅鉈礦實(shí)驗(yàn)（LOREX）。該實(shí)驗(yàn)是目前唯一還在運(yùn)行中的研究太陽中微子長(zhǎng)期歷史的地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其目標(biāo)是利用地質(zhì)記錄來測(cè)量太陽中微子在數(shù)百萬年間的通量。鉈-205在已知核素中具有最低的中微子俘獲閾值，是探測(cè)太陽中微子的理想核素。太陽產(chǎn)生的中微子與紅鉈礦中的鉈-205原子相互作用，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殂U-205原子。鉛-205在地球上的半衰期長(zhǎng)達(dá)1700萬年，因此它能很好地記錄太陽中微子活動(dòng)。然而，鉈-205的中微子俘獲截面至今無法直接測(cè)量。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心（GSI/FAIR）的加速器系統(tǒng)生成初級(jí)束流，通過與靶核碰撞產(chǎn)生、經(jīng)碎片分離器（FRS）純化出²⁰⁵Tl⁸¹⁺次級(jí)束流，并將其引入冷卻儲(chǔ)存環(huán)（ESR）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)得²⁰⁵Tl⁸¹⁺離子的束縛態(tài)β衰變半衰期約為291天，顯著長(zhǎng)于此前的理論預(yù)測(cè)值122天或52.43天。

基于這一結(jié)果，團(tuán)隊(duì)間接獲得了核躍遷矩陣元的大小，從而首次精確計(jì)算了鉈-205的中微子反應(yīng)截面，并得出太陽中微子總俘獲率為92±14SNU（太陽中微子單位）。

該研究成果為LOREX實(shí)驗(yàn)未來的發(fā)展指明了方向。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的測(cè)量難度極大，還需進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)靈敏度。如果LOREX實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒Υ_定紅鉈礦中鉛-205原子的豐度，將為太陽在過去400萬年間的演化歷史及其與地球氣候變化之間的聯(lián)系，提供重要的科學(xué)見解。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.232701

圖：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖/陳瑞九

（儲(chǔ)存環(huán)核物理室?供稿）