北京
数十年来，物理学家一直面对一个尴尬的事实：某些原子核在退激时释放的低能伽马射线，总比理论预言多出一截。这部分多余的辐射从何而来，成了核结构研究中一个顽固的未解之谜。直到一支由稀有同位素束流设施（FRIB）牵头的国际合作团队，在锌-70原子核中找到了决定性线索。
伽马射线与可见光、无线电波同属电磁辐射家族。处于激发态的原子核向更低、更稳定的能级跃迁时，就会放出伽马光子。科学家通过测量不同能量下的发射强度，得到一个称为“伽马射线强度函数”的物理量，用以描述这一过程。几十年来，实验反复显示，在某些核素的低能区间，伽马射线的强度会莫名其妙地抬升，这就是被称为“低能增强”（LEE）的现象。然而它的物理起源，一直没有明确的答案。
“低能增强不是理论预言出来的，所以刚被发现时，对整个领域就像一次冲击。”该研究的第一作者、曾在FRIB攻读博士的埃莉诺·朗宁说，她现在已是意大利帕多瓦国家核物理研究所的博士后研究员。“预测LEE出现的位置很困难——我们不知道哪些原子核会表现出这个现象。”
关键突破来自对锌-70的精细测量。研究团队发现，此前这个低能伽马射线“超额”的来源，实际上是原子核内部的一种磁跃迁。当质子和中子在核内重新排布并释放能量时，电磁跃迁既可以是电跃迁，也可以是由磁效应主导的跃迁。新实验提供的证据强烈指向，正是磁跃迁贡献了那个多出来的低能信号。
俄亥俄大学爱德华兹加速器实验室的临时主任、研究共同负责人安德里亚·理查德形容：“这是向前迈出的关键一步。我们现在有了一个能把实验观测与理论联系起来的自洽解释。”这一步的意义，远不止于弄清了原子核内部一个谜题。低能增强如何产生，会直接影响核反应速率的计算，而正是这些反应在恒星内部和激烈的天体事件中锻造出了比铁更重的元素。
正因为如此，这项近日发表在《自然》上的成果，将对元素形成的理论模型产生冲击。随着物理学家对伽马射线强度函数的理解更加准确，用于描述宇宙中元素合成的核反应网络也将得到关键修正。参与此次研究的机构横跨美国、加拿大、意大利、德国、挪威和韩国，其中还包括劳伦斯利弗莫尔和洛斯阿拉莫斯等国家实验室。项目既把基础核物理研究同国家安全应用连接在一起，也为未来核领域人才提供了实战训练。一个围绕低能伽马射线的数十年的谜题，终于让元素在星空中的身世，变得更清晰了一点。
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