核同質(zhì)異能態(tài)的研究對(duì)諸如核鐘、核電池、清潔核能和核γ射線激光等開創(chuàng)性的應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。然而由于大多數(shù)同質(zhì)異能態(tài)具有微小的激發(fā)截面和快速衰變的特征，難以通過主流的加速器/對(duì)撞機(jī)等有限峰值流強(qiáng)的裝置積累核同質(zhì)異能素進(jìn)行研究，因此很多同質(zhì)異能態(tài)只存在于理論計(jì)算之中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的缺失遲滯了對(duì)理論模型的驗(yàn)證和修正能力，從而成為該領(lǐng)域發(fā)展的重大瓶頸。為此，人們一方面開始試圖獲得更強(qiáng)的激發(fā)能力如建造更大型的加速器和對(duì)撞機(jī)，但這將帶來了造價(jià)和維護(hù)成本的幾何級(jí)攀升;另一方面，人們?cè)噲D通過將加速器置于深地環(huán)境之中，在相同的激發(fā)能力基礎(chǔ)上通過降低本底獲得足夠高的信噪比，但這也對(duì)探測(cè)器的靈敏度提出了更為苛刻的要求。幸運(yùn)的是，基于激光等離子體的粒子束和輻射源具有超高的峰值束密度(可高出射頻加速器裝置如FACET-II 裝置4個(gè)量級(jí))，可構(gòu)筑超強(qiáng)的“等離子體激發(fā)器/對(duì)撞機(jī)”，為該領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展特別是激發(fā)和反應(yīng)截面的測(cè)量提供前所未有的研究能力。
近期，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院陳黎明教授課題組與中國工程物理研究院研究生院王旭研究員課題組合作，提出了一種基于強(qiáng)激光的測(cè)量微小(10 pb量級(jí))核激發(fā)截面的新方法。研究結(jié)果以“Laser-based approach to measure small nuclear cross sections in plasma”為題發(fā)表在美國科學(xué)院院刊(PNAS)(J. Feng et al., PNAS 121, e2413221121 (2024))。
(左)實(shí)驗(yàn)布局示意圖;(右)實(shí)驗(yàn)獲得的氪-83原子核同核異能態(tài)激發(fā)截面與理論計(jì)算值的比較
實(shí)驗(yàn)布局如左圖所示。在實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)激光脈沖(脈沖能量為3 J，中心波長為800 nm)與氪氣凝聚的原子團(tuán)簇相互作用，電離團(tuán)簇中的原子，產(chǎn)生高溫(～109 K)和高電子密度(～10倍固體中原子密度)的等離子體球，該等離子體中的電子通過非彈性碰撞庫倫激發(fā)機(jī)制，將氪-83原子核從基態(tài)(g.s.)激發(fā)到多個(gè)激發(fā)態(tài)(e.s.)。這些激發(fā)態(tài)有一定的概率衰變至能量為41.56 keV的較長壽命激發(fā)態(tài)(同核異能態(tài)i.s.，壽命為1.83小時(shí))。這一核激發(fā)過程持續(xù)約幾個(gè)皮秒，隨著團(tuán)簇膨脹解離而結(jié)束。隨后，氪離子通過冷凝的方式被收集，并利用NaI探測(cè)器進(jìn)行譜測(cè)量，獲取來自氪-83同核異能態(tài)衰變的輻射譜。結(jié)合探測(cè)到的氪-83同核異能態(tài)數(shù)量與團(tuán)簇等離子體的各項(xiàng)參數(shù)(如電子密度、溫度、激發(fā)時(shí)間、離子數(shù)量等)，可以得到電子通過非彈性碰撞庫倫激發(fā)氪-83同核異能態(tài)的等效截面，如右圖所示。在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)控激光脈沖強(qiáng)度，獲得了5個(gè)不同溫度下的核激發(fā)截面值，與理論計(jì)算結(jié)果較好地符合。
與傳統(tǒng)的基于加速器的核激發(fā)方法相比，基于強(qiáng)激光與團(tuán)簇相互作用的方法具有極高的峰值電子密度和原子核激發(fā)效率，因此能夠探測(cè)到截面低至10 pb量級(jí)的核激發(fā)信號(hào)。該方法可應(yīng)用于其它極小核激發(fā)/反應(yīng)截面和極短半衰期的同核異能態(tài)測(cè)量，為基礎(chǔ)核數(shù)據(jù)的獲取提供了一種全新的測(cè)量手段。此外，該方法不僅適用于惰性氣體團(tuán)簇，也可用于化合物團(tuán)簇和金屬團(tuán)簇，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的原子核激發(fā)技術(shù)。
上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院馮杰助理研究員與中物院研究生院祁金濤博士(現(xiàn)為深圳技術(shù)大學(xué)助理教授)為論文的共同第一作者。
