科学家刚刚在实验室重现了一种前所未见的罕见宇宙反应

宇宙中有一类元素，连恒星爆炸最主流的核合成理论都无法解释它们的起源，物理学家为此困惑了超过六十年。

现在，一项首次完成的实验室测量，把这个谜题向前推进了关键一步，同时也揭示了谜底背后还藏着更深的未知。

为什么这些元素让科学家头疼了六十年

要理解这项突破，先得知道宇宙元素的“出生证明"是怎么签发的。

比铁重的元素，大多数是通过中子俘获过程合成的。原子核不断吸收中子，经历放射性衰变，逐步积累质量，最终稳定下来，成为我们在自然界中观测到的各种重元素。这套理论优美、自洽，解释了大多数重元素的起源。

但有一类特殊的同位素，对这套解释完全免疫。

这就是所谓的“p核"，一类富含质子的稀有同位素，从最轻的硒-74，一直到最重的汞-196，共约35种。它们无法通过中子俘获产生，因为它们的质子数远多于中子数，中子俘获路径根本到不了它们所在的位置。

在太阳系的元素丰度中，p核的含量极低，通常只占同元素其他同位素的百分之一甚至更少，但它们确实存在，确实需要一个解释。

目前最被广泛接受的理论是“伽马过程"，发生在某些类型的超新星爆炸内部。在那里，极端的高温产生大量高能伽马射线，这些伽马射线轰击已有的重核，剥离其中的中子和其他粒子，最终留下质子比例更高的原子核，部分经过后续衰变，形成p核。

问题在于，这个过程涉及大量寿命极短的放射性同位素，在实验室里根本无法稳定制备，更别说直接测量了。几十年来，科学家只能依靠理论模型来估算各个反应的速率，而这些模型的不确定性相当巨大，预测结果与实际观测之间的差距始终难以弥合。

第一次直接测量，把不确定性压缩了一半

这项发表于《物理评论快报》的新研究，正面突破了这个长期瓶颈。

研究由阿尔忒弥斯·桑蒂里领导完成，她曾是密歇根州立大学稀有同位素束设施FRIB的研究生，目前是加拿大里贾纳大学的博士后研究员。研究团队来自美国、加拿大和欧洲共20个机构，超过45名科学家参与其中。

他们完成的，是人类历史上第一次对砷-73俘获质子生成硒-74这一反应的直接测量。

硒-74是最轻的p核，也是整个p核家族中最具代表性的研究对象之一。要了解它在超新星中如何产生和被摧毁，关键之一就是弄清楚在伽马过程中，它被高能伽马射线击碎、释放出质子的速率，这个逆向反应的速率，可以通过测量正向反应来间接确定。

实验在FRIB的ReA加速器上完成。研究团队专门产生了一束放射性砷-73，将其导入充满氢气的反应腔，氢原子作为质子来源，位于一台名为SuN的探测器中心。当砷-73核吸收一个质子，在激发态下变为硒-74，随即释放伽马射线回到稳定状态，探测器捕捉到这一完整过程的信号。

这种实验方式被称为“逆运动学"，让放射性核束去轰击固定靶，绕开了无法制备稳定砷-73靶材的工程困难。这是FRIB这类设施存在的核心意义之一：让此前不可能的实验变成可能。

测量结果被纳入天体物理模型后，对硒-74在超新星中产生丰度的预测不确定性，从原来的水平下降了整整一半。这是一个实质性的进展，意味着理论模型对这一最轻p核的描述能力显著提升。

然而，结果同时带来了新的麻烦。

即便有了更精确的测量数据，更新后的模型仍然无法完全复现自然界中观测到的硒-74丰度，理论与现实之间依然存在无法忽视的缺口。这意味着，要么超新星内部的物理条件比现有假设更复杂，要么p核的形成机制还涉及其他尚未被纳入模型的过程。

这些结果让我们更接近理解宇宙中一些最稀有同位素起源，“实验原设计师、密歇根州立大学教授阿尔忒弥斯·斯皮鲁说，"但也清楚地告诉我们，故事还没有结束。"

研究者们把这个结果视为积极信号而非挫折。六十年来，这个领域几乎没有来自实验室的直接测量数据，理论模型一直在没有约束的状态下运转。现在，第一块实验基石已经放下，不确定性被压缩了一半，剩下的那一半不确定性指向的，是更值得追问的真实物理问题。

下一步，研究团队计划沿着同样的路径，对更多p核相关的关键反应展开直接测量，逐步把理论模型建立在实验数据而非纯粹推算的基础上。

宇宙中最稀有的那些元素，正在慢慢开口说话。