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中国在世界顶级刊物PRL发表的实验核物理文章

来源:武汉新闻网 编辑:纳兰瑾萱 热度: 时间:2019-09-11 10:26
导读: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

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,武汉网,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。

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,武汉资讯网,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)
责任编辑:纳兰瑾萱

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