宇宙中有一類元素，連恒星爆炸最主流的核合成理論都無法解釋它們的起源，物理學家為此困惑了超過六十年。

現在，一項首次完成的實驗室測量，把這個謎題向前推進了關鍵一步，同時也揭示了謎底背后還藏著更深的未知。

為什么這些元素讓科學家頭疼了六十年

要理解這項突破，先得知道宇宙元素的“出生證明"是怎么簽發(fā)的。

比鐵重的元素，大多數是通過中子俘獲過程合成的。原子核不斷吸收中子，經歷放射性衰變，逐步積累質量，最終穩(wěn)定下來，成為我們在自然界中觀測到的各種重元素。這套理論優(yōu)美、自洽，解釋了大多數重元素的起源。

但有一類特殊的同位素，對這套解釋完全免疫。

這就是所謂的“p核"，一類富含質子的稀有同位素，從最輕的硒-74，一直到最重的汞-196，共約35種。它們無法通過中子俘獲產生，因為它們的質子數遠多于中子數，中子俘獲路徑根本到不了它們所在的位置。

在太陽系的元素豐度中，p核的含量極低，通常只占同元素其他同位素的百分之一甚至更少，但它們確實存在，確實需要一個解釋。

目前最被廣泛接受的理論是“伽馬過程"，發(fā)生在某些類型的超新星爆炸內部。在那里，極端的高溫產生大量高能伽馬射線，這些伽馬射線轟擊已有的重核，剝離其中的中子和其他粒子，最終留下質子比例更高的原子核，部分經過后續(xù)衰變，形成p核。

問題在于，這個過程涉及大量壽命極短的放射性同位素，在實驗室里根本無法穩(wěn)定制備，更別說直接測量了。幾十年來，科學家只能依靠理論模型來估算各個反應的速率，而這些模型的不確定性相當巨大，預測結果與實際觀測之間的差距始終難以彌合。

第一次直接測量，把不確定性壓縮了一半

這項發(fā)表于《物理評論快報》的新研究，正面突破了這個長期瓶頸。

研究由阿爾忒彌斯·桑蒂里領導完成，她曾是密歇根州立大學稀有同位素束設施FRIB的研究生，目前是加拿大里賈納大學的博士后研究員。研究團隊來自美國、加拿大和歐洲共20個機構，超過45名科學家參與其中。

他們完成的，是人類歷史上第一次對砷-73俘獲質子生成硒-74這一反應的直接測量。

硒-74是最輕的p核，也是整個p核家族中最具代表性的研究對象之一。要了解它在超新星中如何產生和被摧毀，關鍵之一就是弄清楚在伽馬過程中，它被高能伽馬射線擊碎、釋放出質子的速率，這個逆向反應的速率，可以通過測量正向反應來間接確定。

實驗在FRIB的ReA加速器上完成。研究團隊專門產生了一束放射性砷-73，將其導入充滿氫氣的反應腔，氫原子作為質子來源，位于一臺名為SuN的探測器中心。當砷-73核吸收一個質子，在激發(fā)態(tài)下變?yōu)槲?74，隨即釋放伽馬射線回到穩(wěn)定狀態(tài)，探測器捕捉到這一完整過程的信號。

這種實驗方式被稱為“逆運動學"，讓放射性核束去轟擊固定靶，繞開了無法制備穩(wěn)定砷-73靶材的工程困難。這是FRIB這類設施存在的核心意義之一：讓此前不可能的實驗變成可能。

測量結果被納入天體物理模型后，對硒-74在超新星中產生豐度的預測不確定性，從原來的水平下降了整整一半。這是一個實質性的進展，意味著理論模型對這一最輕p核的描述能力顯著提升。

然而，結果同時帶來了新的麻煩。

即便有了更精確的測量數據，更新后的模型仍然無法完全復現自然界中觀測到的硒-74豐度，理論與現實之間依然存在無法忽視的缺口。這意味著，要么超新星內部的物理條件比現有假設更復雜，要么p核的形成機制還涉及其他尚未被納入模型的過程。

這些結果讓我們更接近理解宇宙中一些最稀有同位素起源，“實驗原設計師、密歇根州立大學教授阿爾忒彌斯·斯皮魯說，"但也清楚地告訴我們，故事還沒有結束。"

研究者們把這個結果視為積極信號而非挫折。六十年來，這個領域幾乎沒有來自實驗室的直接測量數據，理論模型一直在沒有約束的狀態(tài)下運轉。現在，第一塊實驗基石已經放下，不確定性被壓縮了一半，剩下的那一半不確定性指向的，是更值得追問的真實物理問題。

下一步，研究團隊計劃沿著同樣的路徑，對更多p核相關的關鍵反應展開直接測量，逐步把理論模型建立在實驗數據而非純粹推算的基礎上。

宇宙中最稀有的那些元素，正在慢慢開口說話。