科学家重塑了大爆炸后发生的核反应

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

科学家重塑了大爆炸后发生的核反应

By Caroline Delbert

 

• 研究人员解决了大爆炸后早期发生的反应中的关键变量。

• 通过轟擊的方式将质子射入到氘云中，科学家们模拟了早期元素结合形成氦同位素的方式。

• 质子吸收图的计算速率和後續的檢測手段，为科学家提供了继续研究的新工具。

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位於意大利一座山底深處的一个实验室裏，科学家对紧随大爆炸之后的核反应进行了新的测量。科学家说，通过使用比以往任何时候都更先进的材料和仪器来重新構建了所需的条件，科学家说，他们已经对这种核反应进行了具有最高保真度的模拟，这也反映了我们对大爆炸发生后的情況的了解。

在《自然》杂志上，研究人员對他们的实验做出了如下解释：

“轻的元素是在宇宙形成的最初几分钟内，通过一系列称为大爆炸（BBN）¹

的核反應過程中合成。 我们用强质子束轰击了高纯度氘气靶，并检测了核反应产生的γ射线。 我们的实验结果解决了BBN计算中最不确定的核物理输入问题，并大大提高了使用原始丰度探测早期宇宙物理学的可靠性。”

研究人员使用“定期校正”的氘（这是大爆炸之后形成的最早合成物之一）和非常特殊的激光来测量氘结合成氚的速度。 通过用质子束轰击氘云，科学家可以直接观察质子如何与氘核结合形成氚。

这個核反應的特別之処在於，它是我們了解早期宇宙狀態的关键。 因为从來沒有人知道这种反应的关键部分所在，科学家们依据合理的猜测，看看甚至让氘捕獲质子有多容易？ 氘分子以什么速率吸收质子变成氚？

量子（Quanta)雜志的湯姆斯.雷頓（Thomas Lewton）解释说：“最重要的是，不确定性阻止了物理学家将这张图片与38萬年后的，当宇宙已经冷却到足以使电子开始绕原子核运行時的宇宙圖景進行比對。”

这意味着科学家的实验对其结果进行了非常简单的成败测试。 當他们用质子束轟擊氘气，并测量了产生的氦气量，他们需要将这个值插入到現在已知的大量背景辐射數據，以及38万年后的其他數據中。值得庆幸的是，他们的數據值與算式完美匹配。

该研究也引發了连锁反应，例如：解析了系统中的第一个方程式，然后使用新发现的數值替換其他數值。 在这种情况下，了解氘的质子吸收率可以更好地了解随后发生的无数化学过程。

研究人员总结说：“我们的实验结果解决了BBN计算中最不确定的核物理输入问题，并大大提高了使用原始丰度探测早期宇宙物理学的可靠性。”

一大块缺失的碎片已被發現，其形状很像氚。

注釋： 1 -  原初核合成（BBN）是物理宇宙学的一个概念，指宇宙在早期阶段产生H-1（最常见，也是最轻的氢同位素，只有单独的一个质子）之外原子核的过程。原初核合成在大爆炸之后只经历了几分钟，相信与一些较重的同位素的形成，如氘（H-2或D）、氦的同位素（He-3和He-4）、锂的同位素（Li-6和Li-7）的形成有密切的关系。除了这些稳定的原子核之外，还有一些不稳定的放射性同位素在原初核合成之际也形成了：氚（H-3）、铍（Be-7和Be-8）。这些不稳定的同位素不是蜕变就是融合成前述其它的稳定同位素。（所有这些原子核通常表示为^NX，此处X = 这些元素的标准名称，N = 原子量的数值，但是这儿将简单的标示为X-N。）