碳难题:实验旨在重建关键元素的合成

　　碳是生命的基石，被认为主要形成于恒星的核心。但是一项新的实验正在测试另一个想法:其中一些可能是在超新星爆发或中子星碰撞期间伪造的。要制造一个由碳12组成的原子核——碳12是最常见的元素形式，由六个质子和六个中子组成——必须发生一个罕见的过程:三个氦4原子核(也称为α粒子，每个包含两个质子和两个中子)需要聚在一起，达到一个独特的激发态，并结合形成碳。

　　科学家估计，稳定的碳原子每10，000次氦-4同位素的结合中只有4次是稳定的。传统上，这种碳形成的“三重阿尔法”过程被认为是在恒星内核中进行的，但是俄亥俄大学的一项新的粒子加速器实验旨在测试一种不同的情况，在这种情况下，在中子的帮助下，元素可以更有效地产生，当恒星爆炸和碰撞时，中子就会出现。

　　我们目前对三重阿尔法过程的理解很大程度上来自天文学家弗雷德·霍伊尔，他在1954年曾有一个著名的预言，碳-12的特殊激发态必须在合成过程中出现。后来，科学家们观察到了这种所谓的霍伊尔状态，并证实了碳随后发射出伽马射线，去激发到它的基态或稳定态。 科学家们长期以来一直怀疑其他粒子可能在这种去激发中起作用，尤其是中子，它不携带电荷，可以穿透原子核并带走额外的能量。然而，测量中子能量一直很困难。

　　几年前，圣路易斯华盛顿大学的物理学家李·索博卡认为，现在是开发一个实验来验证这一想法的时候了。他在《物理评论快报》上读到一篇论文，预测中子可以将三重阿尔法过程提高100倍以上。他认为一种被称为时间投影室(TPC)的技术，对核物理来说是相对较新的，可能是这项工作的合适工具。 这项完全实现的实验于3月10日在俄亥俄州大学的爱德华兹加速器实验室开始。

　　它的特点是一个名为德克萨斯主动目标(Texas Active Target)的TPC型探测器，这是由德克萨斯A&M大学的索博卡的合作者开发的。探测器看起来像一个带有前窗的微波炉，它安装在一个30米长、两米宽的地下隧道的近端，这个隧道最初是为中子测量而设计的。一个有50年历史的校车大小的现场粒子加速器产生了一束中子，然后将它们射入探测器，在那里它们轰击二氧化碳气体样本。

　　“我们在这里所做的是测量原始三重阿尔法过程的逆反应的横截面，或概率，”索博特卡说。因为霍伊尔状态只能存在一眨眼的时间，所以几乎不可能直接测量它。在相反的反应中，中子会撞击碳核，将它们激发到霍伊尔状态，产生阿尔法粒子，然后以较低的能量离开现场。英国伯明翰大学的马丁·弗勒没有参与实验，他说:“这是一种聪明的方法，通过执行逆测量来测量霍伊尔态在与中子碰撞中去激发的概率。”。 在正在进行的德克萨斯州活动目标(TexAT)实验中观察到的三重阿尔法事件示意图。

　　左边显示的是实验案例，一个快中子和一个碳-12原子结合产生了三个α粒子和一个慢中子。右边是一面时间反转镜，显示了在太空中实际发生的事情:三个阿尔法和一个慢中子合并成碳-12和一个快中子。学分:杰克·毕晓普德克萨斯A&M大学德克萨斯大学团队负责人、德克萨斯A&M大学的格里高利·罗加乔夫说，测量反向反应是合理的，因为这种反应的概率与原始反应的概率之间存在统计关系。他说，科学家花了六年时间开发的TexAT可以拍摄探测器内部带电粒子的照片。

　　在这个实验中，当阿尔法粒子被击出并向不同方向散射时，它们会电离气体并释放沿途的电子。这些电子依次屈服于探测器中的电场，并向上漂移到顶部的探测面板，在那里它们的空间位置被立即标记下来。结合这些信息和它们的到达时间，科学家可以很容易地用视觉方式重建α粒子的三维轨迹。 丹麦奥尔胡斯大学的汉斯·芬博没有参与这项研究，他说，在与这种测量相关的低能量下，很难确定所谓的霍伊尔状态的阿尔法衰变。他说，TexAT的新奇之处在于它“既是探测器又是目标”，这在实验核领域是一个相对较新的概念.