圖1 產生同核異能素的天體環境
圖2 天體核合成過程
以銪(152Eu)元素為例，它的一個同核異能態152m1Eu有73%的概率通過β-衰變生成天體p-核素釓(152Gd)。在天體p-核素152Gd的形成過程中，涉及152m1Eu的核反應流可對152Gd的豐度產生影響。152m1Eu的高效激發有望為探索天體p-核素的產生及其豐度提供一定的約束條件。
圖3 152m1Eu通過β-衰變產生152Gd
科學家們一直致力于超強超短激光的研制及其應用研究。最近，科學家們通過超強超短激光等離子體加速以及光核反應方式，實現了152m1Eu的高效激發產生。在實驗中，科學家們利用激光與氮氣靶相互作用，產生MeV量級的高能電子束。這些高能電子束進一步轟擊鉭金屬靶，產生高能軔致γ射線。最后，這些γ射線與Eu2O3靶相互作用，通過光中子反應生成152m1Eu。通過這項研究，科學家們不僅實驗演示了激光高效激發產生同核異能態152m1Eu，而且模擬預測了152m1Eu和處于更高能態的152m2Eu的產額、產生時間和峰值激發效率隨激光加速電子溫度的變化趨勢。研究發現，當入射電子的溫度高于10 MeV時，152m1Eu和152m2Eu的峰值激發效率分別有望達到1017和1016個粒子/秒，比傳統加速器的峰值效率高出至少5個數量級。
圖4 超強超短激光研制的先行者——法國科學家Gérard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland(注：他們因發明了啁啾脈沖放大技術獲得2018年諾貝爾物理學獎)
圖5 利用超強激光驅動光核反應產生152m1Eu和152m2Eu的示意圖
圖6 152m1Eu和152m2Eu的產額(a)產生時間(b)以及峰值激發效率(c)隨電子溫度的變化預測
這項研究的成功實施，不僅展示了超強激光驅動核反應在高效激發同核異能態方面的巨大潛力，還為進一步探索宇宙元素來源以及核能可控釋放研究打下了堅實基礎。隨著科技的不斷進步，我們期待未來能夠通過更多的實驗和研究，深入理解同核異能素的性質和應用，為人類的發展和進步做出更大的貢獻。
