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中国在世界顶级刊物PRL发表的实验核物理文章


2019-9-11 11:00:05

 来源: 科学大院

  给运动中的原子核“称体重”有多难?打个比方,一节行驶中的高铁车厢中有一位乘客口袋里可能装着一个U盘,科学家们的工作就是要在高铁跑动过程中分辨他口袋是否装有U盘 ,这项工作的难度可想而知。

  在中国科学院近代物理研究所,有一个研究小组——CSR精细核谱学研究组——就在进行这项工作,他们在王猛研究员的带领下,凭借自己的专注和勤奋,将这项工作做到了世界前沿。

 CSR精细核谱学研究团队部分成员,(图片来源:近代物理所提供)CSR精细核谱学研究团队部分成员,(图片来源:近代物理所提供)

  从零开始

  原子核质量测量是一项在微观世界中探索物质性质的工作,由于许多原子核的存在时间极其短暂,只能用毫秒(1毫秒=10-3秒,即千分之一秒)来计算,因此,如何又快又准测得原子核质量,是核物理基础研究的一个重大挑战。

  “任何物体要测重,都需要工具辅助,要有一杆合适的‘秤’,对于原子核质量测量而言也不例外”,谈起CSR精细核谱学研究团队的工作,负责人王猛总是能侃侃而谈。王猛说的这杆“秤”,就是兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR),在兰州重离子加速器国家实验室,通过人工核反应方式产生快重离子束,利用冷却储存环来“看清”这些基本粒子。“我们主要靠重离子加速器的冷却储存环(HIRFL-CSR),利用它,能捕捉那些快速流失的核素,并且精准测量它们的质量”,王猛说。

  重离子加速器CSR装置,始建于国家战略的“九五”时期,属国家“九五”重大科学工程项目。当时,国际上物理研究的竞争已经在重离子物理研究领域展开,德国、法国、日本等国家已经相继建成了大科学装置,在这种背景下,扩建多用途重离子冷却储存环成为重离子加速器实验室的新任务。

  在CSR的设计和建设过程中,原子核质量测量一直是其重要的物理研究目标,王猛说,“那时候还没有现在的CSR精细核谱学研究组,当时,CSR刚刚建立,近代物理所就抽调各方力量从事相关研究,我们就从那时开始原子核质量测量的研究工作”。当时,夏佳文和詹文龙负责CSR的设计和建设,徐珊瑚领导的青年物理室承担了基于CSR的核物理实验研究任务。

  作为“青年物理室”的一员,王猛在CSR装置工程建设期间(2006-2007年)就开始从事原子核质量测量工作,首次质量测量实验于2007年底完成。回忆起当时的“青年物理室”,王猛说,“尽管大牌云集,但依然缺兵少将;尽管满腔热情,但着实困难不少”。

(图片来源:近代物理所提供)(图片来源:近代物理所提供)

  王猛讲了一件趣事。刚开始做实验时,人员很少,大家轮番作战,基本上全天候都在中控实验室,累了就在沙发上睡一会儿,“几个小伙子经常搞得蓬头垢面,根本看不出来是科学家”。当时有位女博士来研究小组实习,刚来的她很想“好好表现”,想着要“早出晚归”。可是,一连三四天,她就发现这里的人个个“拼命三郎”,大家几乎都不出实验室的门。“女博士最终无法坚持,只好离开了研究组”,王猛遗憾地说,“那时条件确实很艰苦,组里很难留下人”。

  然而,凭着“拼命三郎”的干劲,王猛团队干出了一片新天地。

  原子核质量的测量方法有肖特基测量和等时性测量两种。前者通过电子冷却降低离子速度分散,使用肖特基探针测得离子回旋周期,从而确定质量;后者使用飞行时间探测器提取离子的回旋周期确定质量。“在CSR建成初期,实验环的电子冷却装置尚不完善,加之冷却束流也需要一定时间,肖特基测量法主要适用于测量寿命在秒量级以上的原子核质量,对寿命以微秒计算的原子核无能为力。所以,实验团队最终选取了等时性作为首次测量的方法”。正是这一大胆尝试,使CSR精细核谱学质量测量组找到了自己的研究特色,在短寿命原子核质量测量领域走到了世界前沿。

兰州重离子加速器冷却储存环(图片来源:近代物理所提供)兰州重离子加速器冷却储存环(图片来源:近代物理所提供)

  2007年底,第一次等时性质量测量实验在CSR上成功进行,主束36Ar(氩36)的碎裂产物注入并存储到实验环中,利用飞行时间探测器测出它们在储存环中的回旋周期,根据回旋周期清楚地鉴别出了32S、30P等A/Z=2系列的多个核素,并提取出它们的质量,得到的结果完全与文献值吻合。原子核质量测量的精度达到了10-6,这个精度完全达到本文开头举例的精确测量乘客口袋里优盘的目标。

  紧跟前沿

  “07年底我们测试实验完成,08年8月份正式验收的时候,我们就已经确定了下一次实验的目标核素。”王猛回忆说,第一次实验成功极大鼓舞了大家的士气,也为接下来的实验确定了方向和目标。

  2008年,在中科院近代物理研究所的战略会议上,研究组提出新一轮实验建议,78Kr(氪78)被选为初级束流,主要研究丰质子区域63Ge、65As、67Se等原子核质量。同时,根据第一次实验的结果,团队成员开发出一套快速数据处理方法,能同步对海量数据进行即时分析。

  2009年,研究组首次对63Ge、65As、67Se的质量进行测量,由于前期准备工作充分,实验完成后,在很短时间内就完成了数据分析工作,并得到实验结果。相关成果发表后,受到国际核天体领域的极大关注。经与国际专家讨论,发现65As是研究X射线暴中核过程的关键核素,但这次实验所得的6个统计数据还不足以解决核天体核物理方面的重要问题。

  研究组决定进行第二轮实验。这一次,团队加入了德国、法国、日本等国相关研究领域的专家。然而,第二次实验过程并不如想象中的顺利。由于想得到足够多统计数据进行统计分析,科学家们延长了实验周期,但这样做却暴露了储存环不稳定的问题。储存环在长时间工作过程中,磁场强度会发生飘移,原子核在储存环中的回旋周期也会相应地发生变化,因而会影响质量测量的精度。

 (图片来源:近代物理所提供)(图片来源:近代物理所提供)

  “必须想办法克服这个问题!”多少个不眠夜里的讨论和头脑风暴,在一次又一次的计算和思考中,博士生涂小林发现,利用原子核间的相对回旋周期代替绝对数值,可以很大程度上减小因为磁场变化带来的影响。在后来的数据分析中发现,这一创造型处理方法得到的数据精度竟然比利用德国GSI研究所(德国亥姆霍兹重离子研究中心)数据处理方法的精度高出了三倍。

  最终,质量测量组首次测得原子核65As的质量,并证明65As是质子非束缚核。在此基础上,质量测量组和美国密歇根州立大学的国际权威天体核物理专家合作,解决了核天体物理学中悬而未决的一个重要科学问题,即对于第一类X射线暴,64Ge是否为快质子俘获过程的“等待点”核的问题。(不是理解原因,是理解核过程路径和燃烧灰烬)近代物理研究所的实验结果解决了这一科学难题,消除了X射线暴的一个主要不确定性。

  英国前皇家物理学会理事长Phil Walker在评论这一研究成果时指出,地处黄河上游的水坝就像核天体物理快质子俘获过程中的“等待点”一样,水坝调节着河流汇入大海的进程。冥冥之中,这似乎意味着近代物理研究所是破解“等待点”难题的最佳研究场所。

  这项研究成果发表在《Physical Review Letters》上,这是该刊发表的第一篇等时性质量测量文章,标志着近代物理研究所在原子核质量精确测量领域确立了自己的国际前沿地位。更难能可贵的是,中国人在这一世界顶级刊物上发表实验核物理文章到目前一共只有10篇,“其中的3篇出自我们团队”,王猛自豪地说。

  走向世界

  原子核测量是依托兰州重离子加速器这一大科学装置的团队合作研究,它不是一两个人能完成的。王猛给我们转发了两篇团队的文章。一篇是2009年发表在《International Journal of Modern Physics E》上的文章,当时有19位署名作者;另一篇是2018年发表在《Physics Letters B》上的文章,已经有51位署名作者。从19人到51人,反映了CSR精细核谱学质量测量团队十年间的发展变迁。

  “因为我们做的东西越来越复杂,加入的人就越来越多,合作团队也变得越来越大”,王猛举例介绍说,“实验用到的探测器,其研制安装非常复杂,因此需要很多人来配合。具体实验时,探测器通常由两个以上的同志负责,具体数据获取和处理同时需要两三个学生配合。”就这样,团队越做越大了。

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