【科研进展】利用激光核激发测量微小激发截面
Science & Research
同核异能态的研究对诸如核钟、核电池、清洁核能和核γ射线激光等开创性的应用具有至关重要的意义。然而由于多数同核异能态具有微小的激发截面（<μbarn）和快速衰变（~ns）的特征，难以通过主流的加速器/对撞机等有限峰值流强的装置积累同核异能素进行研究，因此很多同核异能态只存在于理论计算之中，实验结果的缺失迟滞了对理论模型的验证和修正能力，从而成为该领域发展的重大瓶颈。为此，人们一方面开始试图获得更强的激发能力如建造更大型的加速器和对撞机（如FACET-II，CEPC等），但这将带来造价和维护成本的几何级攀升；另一方面，人们试图通过将加速器置于深地环境之中，在相同的激发能力基础上通过降低本底获得足够高的信噪比（如LUNA、JUNA等深地实验室），但这也对探测器的灵敏度提出了更为苛刻的要求。幸运的是，基于激光等离子体的粒子束和辐射源具有超高的峰值束密度（高出加速器如FACET- II装置4个量级），可构筑超强的“等离子体激发器/对撞机”，为该领域的创新发展特别是激发和反应截面的测量提供前所未有的研究能力。
近期，上海交通大学物理与天文学院张杰院士团队的陈黎明教授与中物院研究生院王旭研究员合作，团队在前期[Phys. Rev. Lett. 128, 052501 (2022)]激光团簇电子共振形成的中低能段等离子体“核激发器”的基础上，通过优化实验条件、强化激光团簇相互作用，实验发现可以通过多团簇效应，相比单团簇获得电子激发效率约一个量级的大幅提高。被加热的团簇电子呈现出更广的能量分布，可将83mKr同核异能素从基态激发到第3激发态以上的多个态，从而实现了更高峰值效率的同核异能态激发。实验中团队使用激光等离子体教育部重点实验室的百TW激光装置，通过调整Kr气背压和激光作用高度以增加团簇的密度，相互作用后激发的同核异能素也通过冷凝的方式收集并利用优化后的NaI探测器谱仪测量，得到明确的83mKr第2激发态的衰变辐射谱；实验获得了在100 keV的等离子体环境下MeV能段的高效核激发，峰值激发效率到达1015p/s量级。综合考虑各种因素后，最终得到在模拟恒星燃烧条件下Gamow窗口内83mKr的激发截面为10s pbarn量级。
图1：实验布局图（左）及实验测量的电子能谱分布和核衰变谱（A、B）。
图2. 83mKr同核异能态能级图及理论激发截面（A、B），团簇中电子能量分布随时间的演化（C），（D）为模拟考虑多团簇效应后激发能力的提升；右图显示实验获得激发截面和理论计算值的比较。
该激发方式的峰值效率高于传统加速器约4-5个数量级，克服了传统激发方式有限流强的瓶颈。这是在常规噪声背景的实验室条件下，首次测量到pbarn量级的激发截面。该方法可推广到许多极小激发/反应截面、极短半衰期的同核异能态测量（如26mAl、180mTa等），为基础核数据的获得提供一种全新的手段。
需要强调的是，该方法不仅适用于惰性气体团簇，还可用于化合物团簇和金属团簇，因此可以说是一种可广泛应用的处于中低能区的超强核激发器。这类通用的超强核激发/核反应研究方式，可广泛应用于激发态寿命短至皮秒的核素，对研究恒星等离子体环境下的核激发态极小截面的核数据具有重要意义。这项工作与中高能区的激光等离子体激发器[Laser Photonics Reviews, 2300514 (2023)]一起构成了全能区可调的研究体系，以超出现有加速器/对撞机4-5个量级的峰值核激发能力，为核物理/核天体物理提供从BBN到恒星核合成、超新星爆发核合成宽广范围的超强核激发/核反应研究手段。
该研究成果以“Laser-based approach to measure small nuclear cross sections in plasma”为题，以自由投稿的方式于2024年11月12日在线发表于美国科学院院刊 PNAS 121, e2413221121 (2024)。上海交通大学物理与天文学院冯杰助理研究员、深圳技术大学的祁金涛助理教授为论文共同第一作者。本工作得到国家自然科学基金项目、中国科学院先导专项等资助。
文章链接（点击“阅读原文”查看）：
https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2413221121
图文编辑：叶丹
责任编辑：叶丹、朱敏
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