金和其他重元素诞生于宇宙中一些最剧烈的爆发事件中，但科学家们仍难以理解创造这些元素的核反应步骤。如今，核物理学家在快速中子俘获过程中关于不稳定原子核如何衰变方面取得三项关键发现——这一链式反应正是锻造金和铂金等元素的关键。
金和铂等重元素在恒星坍缩、爆炸或碰撞等特殊条件下形成。这些事件会触发快速中子捕获过程（简称r-过程）。在此过程中，原子核快速连续吸收中子。随着原子核变得更重、更不稳定，它最终会衰变为更轻、更稳定的形式。
在核素图上这条路径中，一个常见的序列是母原子核发生β衰变，随后释放出两个中子。参与这些反应的原子核极其罕见且不稳定，使得在实验中直接研究它们变得困难，甚至不可能。因此，科学家们严重依赖理论模型，而这些模型必须使用实验室数据进行测试和完善。
利用欧洲核子研究组织ISOLDE设施研究稀有原子核
为了更深入地研究这一过程，田纳西大学（UT）的研究人员与多个机构的科学家合作。该团队包括田纳西大学研究生Peter Dyszel和Jacob Gouge、Robert Grzywacz教授、Miguel Madurga副教授以及研究助理Monika Piersa-Silkowska。他们的工作也建立在研究助理教授Zhengyu Xu开发的数据分析方法之上。
研究人员从大量稀有同位素铟-134开始。
"这些原子核很难制造，需要大量新技术才能合成足够的数量，"Grzywacz解释说。
该团队在欧洲核子研究组织的ISOLDE衰变站进行了实验，该设施产生了大量的铟-134原子核，并使用先进的激光分离技术确保其纯度。当铟-134衰变时，它会产生锡-134、锡-133和锡-132的激发态形式。
科学家们使用通过美国国家科学基金会重大研究仪器计划资助、并在田纳西大学建造的中子探测器，发现了三项主要发现。最重要的结果是对与β延迟双中子发射相关的中子能量的首次测量。
"双中子发射是最大的突破，"Grzywacz说。
β延迟双中子发射只发生在奇异原子核中，这些原子核不稳定且只短暂存在。从原子核中分离出两个中子所需的能量极小，但在此次实验中，这个能量大到足以测量。
"这之所以困难，是因为中子喜欢四处弹跳。很难判断是一个还是两个，"Grzywacz解释道。在早期的尝试中，"没有人测量过能量"，因此这种方法"开辟了一个全新的领域"。
这项研究标志着首次对位于r-过程路径上的原子核的双中子发射进行详细研究。研究结果为改进描述恒星事件如何产生金等重元素的模型提供了宝贵的见解。
锡中一个长期探寻的中子态
该团队的第二项重大发现是首次观测到锡-133中一个长期预测的单粒子中子态。据Grzywacz介绍，该原子核始于激发态，必须释放能量才能稳定下来。
"锡处于激发态。它需要'冷却'。它可以吐出一个中子，或者，如果有足够的能量，它可以吐出两个中子。它按理应该总是吐出两个中子，但事实并非如此。"
传统上，科学家们认为锡原子核只是通过释放中子来冷却，从而有效抹去任何早期β衰变事件的痕迹。在这种情况下，原子核表现得像一个"失忆的原子核"，不记得它是如何形成的。
"我们说锡不会忘记，"Grzywacz说。"铟的这个'阴影'并没有完全消失。记忆没有被抹去。"
先进的中子探测器使研究人员能够探测到这个难以捉摸的核态。这一观测结果表明，当前的理论解释是不完整的，科学家需要一个更复杂的框架来解释为什么有些衰变释放一个中子，而其他的释放两个中子。
"人们寻找了它20年，我们找到了它，"Grzywacz说。"正是那两个中子让我们看到了这个状态。"
他指出，新观测到的状态代表了双中子发射序列中的一个中间阶段。它也代表了锡-133原子核最终的基本激发，有助于完善核结构图景，并提高理论计算的准确性。
第三项发现挑战现有模型
这项研究还揭示了第三个重要结果。研究人员观察到这个新发现的状态存在非统计布居。简单来说，衰变过程中该状态被布居的方式并不遵循科学家通常预期的模式。
Grzywacz解释说，本次实验中的衰变环境相对"干净"。核态是分离的，而不是拥挤在一起的。
"你煮的不是豌豆汤，"他说。"然而，在大多数情况下，它表现得像豌豆汤。这种统计机制不知何故发生了。为什么它会是统计性的，尽管它本不该如此，而在我们的案例中它却又不是呢？"
研究结果表明，随着科学家探索核素版图中远离稳定性的区域，特别是在砹等奇异原子核中，现有的模型可能不再适用。可能需要新的理论方法来描述这些极端系统。
推动新发现的求知欲
寻找改进的核结构和元素形成模型为像Dyszel这样的早期职业科学家提供了重大机遇。他于2022年加入Grzywacz的研究小组，并作为描述这些发现的《物理评论快报》论文的第一作者。
他在实验期间职责广泛。Dyszel建造了中子追踪探测器的框架，并将其组装到实验装置中。他安装了电子系统，构建了β探测器，进行了测试测量，帮助开发了数据采集软件，调整了计时系统，并分析了所得数据。尽管他扮演了广泛的角色，但该项目仍然是众多研究人员合作的成果。
"这项工作的成功部分归功于我的同事和合作者，他们的指导和建设性意见至关重要，"他说。
Dyszel来自佛罗里达州杰克逊维尔市，在北佛罗里达大学获得物理学学士学位后加入田纳西大学。他对核科学的兴趣始于早期的一门普通化学课程，当时他第一次了解到β衰变。核转变可以创造出具有不同性质的全新元素这一想法抓住了他的注意力，最初让他考虑攻读化学学位。
"直到我开始攻读学士学位，我才踏入物理学的课堂，这立刻促使我转向攻读物理学学位，"他解释道。"我一直对理解世界的运行方式感兴趣，而物理学一直是，并将继续是我追寻这份好奇心想要走的道路。"