宇宙理解-识别重元素的独特特征

时间:2020-04-21 17:48 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

宇宙理解-识别重元素的独特特征

在能源部的阿贡国家实验室,在阿特拉斯核粒子加速器旁边的一个小房间里,贾森·克拉克坐在上面的一个平台上做他的工作。在这个狭窄的空间里,你得低头看路。粒子通过金属管道在房间里进进出出。在这个金属平台上,有一个装置,上面绑着一面很小的加拿大国旗,从水流中抽出一个粒子,然后克拉克研究这个粒子以了解元素的起源。

在Argonne的另一幢大楼里,在一个堆满了服务器的房间里,一台名为BEBOP的超级计算机正在运转。这个房间很冷,就像大多数服务器房间一样,震耳欲聋的风扇使其降温,以防止服务器过热。在BEBOP的众多任务中,这台超级计算机运行的是由美国圣母大学(University of Notre Dame)瑞贝卡?苏尔曼(Rebecca Surman)的理论核天体物理小组编写的模拟程序。这些复杂的模拟为克拉克的研究提供了信息。这两种元素合作寻找重元素的独特特征。

阿特拉斯占据了阿贡众多建筑中的一个地下室,粒子流进出由煤渣块组成的古怪角落。在这个空间中航行需要仔细的注意和一个熟悉的向导。在奇异走廊的尽头和最小化辐射的墙壁后面,用各种类型的探测器进行的实验收集粒子,供在科学用户设施ATLAS DOE办公室工作的许多科学家研究。

“这是了解核物理的一个独特窗口,”Surman说。

克拉克的工作主要是在存放锎稀有同位素增殖堆(CARIBU)的房间里进行的。在这里,克拉克和与他一起工作的研究团队试图理解一个更大的问题:比铁重的元素从何而来?

正如克拉克所指出的,“这些同位素可能是超新星或中子星合并时产生的。”了解这些元素形成的方式,有助于洞察这些星系事件中发生的过程。对这些产生重元素的独特的基本过程的兴趣推动了实验室的问题。

对元素的制作进行建模

在这个国家的任何一所大学里选修任何一门天文学课程。咒语总是一样的:比铁还轻的元素形成于恒星的核心;比铁重的元素在恒星爆炸中形成。虽然前者听起来是正确的,但后者并不总是正确的,或者至少不完全正确。其中一些较重的元素是在恒星爆炸时形成的,但其他尚未被完全理解的天体物理过程也在形成新元素中发挥了作用。

当由质子和中子组成的原子核群聚在一起形成新的元素时,新的元素就形成了。形成新元素有许多途径,在轻元素和重元素中使用质子和中子的组合。这就是所谓的融合过程。

聚变最简单的例子是两个质子和两个中子聚合在一起形成氦。如果你把两个氦原子结合在一起,你会得到4个质子和4个中子组成一个铍原子核。这个过程被称为核合成,在恒星的核心继续以这种方式进行,轻元素聚集在一起形成更复杂、更重的元素。然而,恒星融合的程度是有限的。最终,恒星在形成铁元素时就停止了元素的融合。

Surman的研究涉及到“逆向工程”,即重于铁的元素的形成。这些元素可以通过快速捕获中子形成,使得中子和质子的组合如此极端,在地球上的实验室里从未见过。像这样的外来核会衰变回稳定的元素,如金和铂。

“当天文学家测量太阳系和其他恒星中重元素的相对数量时,他们注意到这些元素的丰度形成了一个普遍的模式,”Surman解释说。然而,研究人员一直在努力确定到底是什么天体物理事件导致了这种普遍模式。

逆向工程试图利用这种普遍模式来“预测”在天体物理模拟中复制这种模式所需的奇异核的性质。不同的天体物理事件有不同的特性,如温度、中子密度等。每一次对核数据的逆向工程预测,都会对每一次可能的天体物理事件产生不同的性质。

挑选出哪些流程可能是一项艰巨的任务。那么Surman和他的团队是如何做出这些决定的呢?

超级计算机的帮助。

数学的核合成模型可能很复杂,而且对于一个人来说,用手来完成它太过笨拙。事实上,有些模型非常复杂,整个建筑里的台式电脑都无法有效地运行它。Surman的模型需要这种复杂程度。

对于像氦这样的小元素,把质子和中子结合起来形成氦原子核的方法只有那么多。当元素变得更重时,选项就会成倍增长。所以Surman使用了一种叫做马尔科夫链蒙特卡罗的方法来排除这些可能性。

如果你听到“蒙特卡洛”(Monte Carlo)这个词,并在一部特定的詹姆斯·邦德(James Bond)电影中联想到一个赌场,那么你就离它不远了。这种方法是以摩纳哥的那个赌场命名的。把这个想法与赌场联系起来多少是合适的。蒙特卡罗模拟产生一个使用随机数的复杂过程的所有可能结果的随机选择,就像老虎机一样。

在这个模型中,质子和中子的随机组合使选择路径变得简单得多。测试可以在更广泛的范围内进行,而不需要研究人员对每个选项都做出决定。最初,研究小组选择了一些核数据和天体物理条件。然后他们用这些启动条件进行了核合成模拟,并将得到的丰度模式与普遍模式进行了比较。

然后,蒙特卡罗模拟引入了模型中原子核质量的变化。对于每组不同的核数据,研究小组重新进行核合成模拟。每次运行都要检查模拟的丰度模式和实际的丰度模式是否一致,以及这种一致是否得到了改进。然后他们重新开始这个过程,重复这些步骤,直到找到一个完美的匹配。

“然后我们在不同的天体物理环境中重复这整个过程,导致不同的‘反向工程’质量,”Surman指出。

Surman说,为了在结果之间达成一致,模型大约需要运行40次。更确切地说,他们把模型运行了50次。在这一点上,他们可以确定地接近变化。然后,如果卡里布能够检测到这种变异,那么克拉克对这些核特性的测量就可以帮助解开这个长期以来的谜团。

捕获粒子来测量质量

研究的第二步自然是通过实验来检验预测的性能。虽然产生重元素的天体物理过程超出了许多设施的能力,但是Surman所模拟的过程是在加勒比海的能力范围之内的。苏曼的研究结果为克拉克研究卡里布提供了依据。

天体物理过程中涉及的原子核数量之多,使克拉克无法盲目地选择要测量的原子核。此外,阿特拉斯和北美驯鹿需要大量的资源才能生存。而北美驯鹿产生的一些粒子是非常罕见的。

“在低产量和低产量的情况下,你必须非常有效率,”克拉克谈到这个特殊的挑战。Surman不是随意地寻找可能在理想区域的结果,也不是在理想区域寻找结果,而是在不深入细节的情况下,交流应该关注哪些“区域”。

就像有人让你猜他们暑假去了哪里。他们不只是给你一个地球仪,告诉你选择一个地方,而是告诉你他们在海滩上度过了一段时间,大大缩小了可能性。搜索的完整性仍然存在,但缩小的可能性使搜索更有针对性。因此,在没有一个精确目标的情况下,克拉克进行了一些实验来测量与他通讯的区域的原子核质量。

这个过程从加勒比开始,它包含一个含有锎的薄板,不断地产生一系列的重元素。这些重元素被提取、分离出来,然后被导向一个叫做“加拿大彭宁陷阱”(CPT)质谱仪的装置。

坐在两层楼高的天花板附近,CPT轰鸣着从水流中捕捉核粒子。它通过磁场和电场捕获一个重离子。然后该设备测量粒子的质量。在克拉克完成测量后,他才与苏曼交换意见。理想情况下,结果将符合预测的核合成模型。

到目前为止,研究人员已经得到了一些有趣的结果。一个长期存在的理论预测了一个大质量的撞击事件,比如两颗中子星的合并,可以为重元素的形成提供合适的条件。2017年8月,激光干涉引力波天文台(LIGO)的一组研究人员发现了一个后来被确认为中子星合并的事件。对这一事件的探测证实了中子星合并会产生类似于Surman和Clark所研究的重元素。

为了更好地理解这个过程,Clark和Surman研究了钐和钕的同位素。和往常一样,Surman使用了她的“反向工程”核合成模型,Clark用CPT测量了粒子的质量。结果吻合得很好,表明预测和测量的质量与中子星合并产生的元素一致。随着研究的进展,Clark和Surman希望进一步探索这个问题。

正如克拉克所指出的,进行这些实验需要效率和有针对性的方法。虽然北美驯鹿对于探测这些可能的元素形成环境是有用的,但是探测较重元素的能力将被用来进一步探索这项研究。这项研究有助于在未来的核物理加速器上进行实验,比如即将投入使用的稀有同位素束(FRIB)设施,该设施将于2022年开始进行实验。

重元素如何形成的基础核科学为理解元素的起源提供了一个踏脚石。每一次实验都使我们对核合成有了更深入的了解。但如果不回答重元素如何形成的问题,这个最终目标是无法实现的。

“我们想要理解所有的核物理,”Surman说,“核心是需要理解这个问题。”

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