Only Perception: 氦-8 研究賦予核能理論、中子星洞見

2008-01-29

氦-8 研究賦予核能理論、中子星洞見

Helium-8 study gives insight into nuclear theory, neutron stars
http://www.physorg.com/news120751286.html

January 28, 2008

在地球上所能製造，中子數最豐富的物質 -- 氦-8 的原子核 -- 已被美國能源部 Argonne 國家實驗室的研究者創造、設陷捕獲與描繪其特性。這項新測量將核能理論與中子星的研究中造就數個重要的結果。

"這些結果將協助我們測試目前最好的原子核構造理論，包括物理學家 Division 自己的理論小組，" Argonne 物理學家 Peter Mueller 說，他與博士生 Ibrahim Sulai 還有其他物理系同僚，利用一種創新的雷射阱限制住個別的氦-8 原子，時間長到足以決定其原子核的電荷分佈，這個量指出該原子的 2 個質子與 6 個中子如何排列以形成原子核。

不同於穩定的氦，那通常只有 2 個，間或有 1 個中子，那緊密且對稱地與 2 個質子包裹在一起，此元素不穩定的同位素 -- 氦-6 與氦-8 -- 有額外的中子，能圍繞緊密的中央核心形成「光環（halos）」。在 2004 年，Argonne 團隊測定氦-6 2 個額外的中子不對稱地將自己安排在原子核的另一邊，距離核心不到幾萬億分之一公釐。

然而，在他們最近的研究中，研究者發現氦-8 4 個額外的中子以不同於氦-6 的方式群組自己。在光環中的 4 個氦-8 中子以較不會傾向一側的方式環繞核心，改變了核子的動力學。

氦-6 與氦-8 都具有放射性且衰變迅速，使其特性的測量變得異常困難。氦-8 的半衰期只有 1/10 秒，這表示原子樣本必須在「線上」測量，或著在它們被產生後立刻測量，這並不容易。即使這些微量的原子，科學家都需要高功率的加速器來創造。

在此實驗中，Argonne 科學家與 Antonio Villari 以及他來自於法國北部 GANIL 粒子加速設施（這是少數能夠產生足夠數量氦-8 的設施）的同僚合作。然而氦-8 只佔所有加速器所生產原子當中的一小部份，所以科學家需要某種方法，從其餘原子流中分離出目標原子，為了精確地研究，他們還要能觀察每一個氦-8 原子夠長的時間。

為了辦到這件事，科學家利用 6 道雷射光束創造了一個「原子阱（atom trap）」來限制氦-8 原子。同時，射束當中的其他粒子會飛掠過這個阱，大約每 2 分鐘會有一個氦-8 原子落入其中。雷射光的功能是當作這個小籠子的欄杆 -- 如果一個原子太偏向一邊，其中一道光束將會把它推回中央。

一旦原子受陷，科學家會照射另一對雷射光束。藉由調整這二道雷射的頻率，它們能夠與原子的共振頻率相符，使它能變得夠明亮（glow），讓 Mueller 等人能辨識他們已經逮到它。

因為原子的共振頻率依賴其原子核結構，每個氦同位素會在稍微不同的頻率下變亮。在來自於 Windsor 大學的共同研究者 Gordon Drake 所提供的精確原子理論計算協助下，研究者能利用所測得的頻率資料揭露氦-8 的原子核結構。

雖然該團隊在法國的加速器完成實驗，不過 Argonne 將很快地為一個新設施提交一個標案，那能夠產生更大量的氦-8 與其他罕見的同位素，將世界各地的學生與科學家吸引道伊利諾州。

Argonne 所提議的 Facility for Rare Isotope Beams（FRIB）將能夠產生較目前所能製造還要多出 1000 倍的不穩定氦核。"能夠使用像 FRIB 這樣的設施將能夠為幾乎不可能在他處完成的研究開啟許多新的可能性，" Mueller 說。"此結果證明我們到達了科學上的新疆域，而 FRIB 甚至讓我們能更進一步擴展它。"

本研究刊載於 2007 12/21 當期的 Physical Review Letters，並獲選為「Editors' Suggestion」以促進此領域的閱讀。

※ 相關報導：

＊ Nuclear Charge Radius of ⁸He
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e252501

P. Mueller, I. A. Sulai, A. C. C. Villari,
J. A. Alcantara-Nunez, R. Alves-Conde, K. Bailey,
G. W. F. Drake, M. Dubois, C. Eleon, G. Gaubert, R. J. Holt,
R. V. F. Janssens, N. Lecesne, Z.-T. Lu, T. P. O'Connor,
M.-G. Saint-Laurent, J.-C. Thomas, and L.-B. Wang
Phys. Rev. Lett. 99, 252501 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.252501