物理学家设计实验，以解压缩元素的起源

由麻省理工学院物理学家设计的新实验可能有助于抓住巨大，大规模恒星在宇宙中产生氧气的速度。图像：NASA / ESA /哈勃

借助下一代粒子加速器的帮助，该方法可以缩小宇宙中的氧气生产速率。

几乎所有宇宙中的氧气都在巨大的恒星的肚子里伪造了我们的阳光。随着这些恒星的合同和燃烧，它们在核心内脱离了热核反应，其中碳和氦的核可以在罕见的核反应中碰撞和保险，以产生大量宇宙中的氧气。

这种氧气产生反应的速率令人难以置信地棘手。但是，如果研究人员可以获得足够的估计所谓的“辐射捕获反应速度”，他们可以开始解决基本问题的答案，例如碳对宇宙中的碳与氧气的比率。准确的速率也可能有助于他们确定爆炸之星是否会沉入黑洞或中子星的形式。

现在麻省理工学院的核科学实验室（LNS）的物理学家提出了一种实验设计，可以帮助钉住这种氧产生反应的速率。该方法需要一种仍在构建的粒子加速器，在世界各地的几个地点。一旦上升和运行，这种“多重浏览”线性加速器可以仅提供正确的条件，以反向运行oxgen-产生反应，仿佛转回星形成的时钟。

研究人员说，这种“反应”应该给他们估计实际发生在恒星中的反应速率，比先前已经实现的精度更高。

“物理学家的工作描述是要了解世界，现在，我们不太了解宇宙中的氧气来自哪里，而且，氧气和碳是如何制作的，”理查德米尔纳说，物理学教授麻省理工学院。“如果我们是对的，这项测量将有助于我们在核物理学中回答有关元素的起源的核物理学中的一些问题。”

Milner是今天在“物理评价”日记帐CHING COVINEY C的纸张的共同作者，以及主要作者和MIT-LNS Postdoc IvicaFriščić和麻省理工会理论物理中心高级研究科学家T. William Donnelly。

陡峭的下降

辐射捕获反应速率是指碳-12核和氦核之间的反应，也称为α颗粒在恒星内。当这两个核碰撞时，碳核有效地“捕获”α粒子，并且在该过程中，激发并以光子的形式辐射能量。后面留下的是氧气-6核，最终衰减到我们大气中存在的稳定形式的氧气。

但是，由于α颗粒和碳-12核，高度充分充电，这种反应自然发生的这种反应的可能性非常薄薄。如果他们确实靠近接触，他们自然倾向于排斥，在被称为库仑的力量。为了融合氧气，该对将不得不在足够高的能量下碰撞以克服库仑的力 - 一种罕见的发生。这种超低的反应速率是不可能检测在星形内的能量水平。

在过去的五十年中，科学家们试图模拟辐射捕获反应速率，在小而强大的颗粒促进剂中。它们通过碰撞氦气和碳的束，以熔断来自两个梁的熔融核来产生氧气。他们能够测量这种反应并计算相关的反应速率。然而，这种加速器碰撞颗粒的能量远远高于星中发生的颗粒，因此难以将氧产生反应速率的当前估计外推到恒星内实际发生的估计。

“这种反应在较高的能量中是众所周知的，但随着你在能量的情况下，它逐渐下降，朝着有趣的天体物理区域，”Friščić说。

时间，反向

在新的研究中，球队决定复活前一位概念，产生氧产生反应的倒数。基本上，目的是从氧气开始并将其细胞核分成其起始成分：α颗粒和碳-12核。该团队推出了反向发生反应的概率应该更大，因此比相同的反应更容易测量。在实际恒星内的能量较近的能量上也应该进行逆反应。

为了分开氧气，它们需要高强度光束，具有超高浓度的电子。（轰击氧原子云的电子越多，数十亿间电子之间的机会越多，恰好是恰当的能量和动力与氧气核。）

这个想法起源于同事MIT研究科学家Genya Tsengyovich，在2000年，在MIT-Bates South Hall电子储存环上引领了一个拟议的实验。虽然实验从未在Bates Accelerator下进行，但在2005年停止运营，唐纳利和Milner感觉到该想法是详细研究的想法。随着德国和康奈尔大学的下一代线性加速器建设的启动，能够生产足够强度或电流的电磁束，以潜在地触发逆反应，以及2016年麻省理工学院的逆反应，这项研究进去了。

“这些新的高强度电子机器的可能性，具有数十毫安的电流，对我们对此的兴趣进行了兴趣，”Milner说。

该团队提出了一种通过在冷，超云的氧气射击一束电子束来产生反应的实验。如果电子成功地与氧原子碰撞并分开，它应该散射出一定量的能量，该物理学家先前预测。研究人员将隔离涉及该给定能量范围内的电子的碰撞，以及它们将分离在后果中产生的α粒子。

当O-16原子分裂时产生α颗粒。其他氧同位素的分裂也可以导致α颗粒，但这些散射速度稍微快速散射 - 比由O-16原子分裂产生的α颗粒更快地略微快速。因此，团队推出他们会隔离那些略微慢的α粒子，略微短“飞行时间”。

然后，给定α颗粒的速度较慢的速度和通过代理时，研究人员可以计算逆反应的速率，而发生O-16原子的分裂。然后，它们开发了一种模型，以将天然发生在恒星中的氧产物的直接反应的模型。

“我们基本上正在做出时逆反应，”Milner说。“如果你衡量我们在谈论的精确度，你应该能够直接提取反应速度，通过最多20个超出该地区所做的20个的因素。”

目前，在德国正在建设中，一台多重浏览线性辐射器MESA。Friščić和Milner正在与那里设计实验的物理学家，希望这一点，一度起来，他们可以将他们的实验付诸实验，以真正把它烧毁燃烧到宇宙中的速度。

“如果我们是对的，我们做出了这个测量，它将允许我们回答星体中形成了多少碳和氧，这是我们对明星的发展方式的最大不确定性，”Milner说。

该研究是在麻省理工学院的核科学实验室进行的，并由美国能源办公室的核物理学部受到支持。