美国能源部(DOE)劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)成为全球头条新闻。NIF的科学家进行了第一次核聚变实验，其中聚变产生的能量超过了直接施加到燃料上点燃它的能量。这一史无前例的结果将为聚变清洁能源的潜力提供宝贵的见解。

(资料图片仅供参考)

但NIF的科学影响并不止于此。使用位于美国能源部阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施阿贡串联直线加速器系统(ATLAS)，一组科学家正在研究在NIF激光射击期间产生的极端恒星状环境，以更好地了解其作为核天体物理学研究试验台的潜力。这项工作还可以深入了解恒星的性质和元素的起源。

模拟地球上的天堂

重元素 - 包括金，铂和铀 - 在超新星和中子星合并等恒星爆炸中形成。在NIF激光射击期间，192束激光聚焦点燃一个微小的聚变燃料胶囊，产生极端恒星事件中的压力和温度。这使得该设施成为探索涉及重元素形成的核物理和改进恒星爆炸和早期宇宙模型的有力工具。

“在NIF实验期间创造的环境很小，而且寿命很短，所以它不完全是一颗恒星，”ATLAS用户Michael Paul开玩笑说，他是耶路撒冷希伯来大学的科学家，也是合作的首席科学家。“但是环境中发生的热力学非常接近恒星 - 特别是爆炸的恒星。如果我们能够在实验室中重现地球上的这些天体物理条件，我们就可以在离家很近的精心描述的环境中详细研究恒星过程。

具体来说，该团队正在寻找快速中子捕获过程或r过程的证据，该过程负责自然界中约一半重元素的产生。

中子是与质子一起构成原子中心原子核的粒子。中子捕获是指原子核吸收中子。起始原子核和产物核是同位素，或同一元素的形式。一些同位素更稳定，有些放射性更强，这意味着它们衰变成另一种同位素的速度更快。

在极端恒星条件下，中子的密度非常高。这些富含中子的环境允许原子核通过非常快速地捕获许多中子来生长，在它们有机会衰变之前产生新的和更重的元素原子。

分析阿尔贡的氩气

在NIF-ATLAS实验中，科学家在燃料被NIF激光器点燃之前，将少量氩气插入聚变燃料舱内。就像执行科学家任务的原子一样，氩原子被送入太空舱，以在射击过程中检索和存储有关其内部的信息。

激光射击后，氩气被运送到阿贡的ATLAS，在那里科学家们寻找证据证明氩-40原子核(一种氩同位素，其原子核中含有40个亚原子粒子 - 18个质子和22个中子)在激光射击过程中同时捕获了两个中子，成为氩-42。“如果我们看到这一点，这将是第一次在可重复的实验室环境中检测到类似r过程的事件，”Paul说。

氩-42具有放射性，但衰变缓慢，因此它持续了足够长的时间，以便团队将其运送到ATLAS并在衰变之前对其进行分析。使用在阿贡开发的独特方法分析气体，称为惰性气体加速器质谱(NOGAMS)。NOGAMS是一种超灵敏的方法，用于计算样品中某种同位素的单个原子的数量。

科学家们选择使用氩气，因为它是一种惰性气体，这意味着它不会与其他物质发生化学反应或干扰胶囊中的聚变燃料。这种惰性也使得使用传统的加速器质谱方法加速和检测变得更加困难。NOGAMS技术的独特方法使ATLAS成为唯一可以计算惰性气体原子的设施。

“ATLAS的能力使这项调查成为可能，”阿贡物理学家Melina Avila Coronado说。“想到这可能从中获得对恒星过程的洞察力是令人兴奋的。

Avila Coronado帮助像Paul和他的团队这样的用户使用ATLAS的磁谱仪进行操作和测量。初步实验于 2022 年进行，并证明了氩 40 在聚变环境中的核反应。该团队将在2023年继续寻找r过程和其他感兴趣的天体物理过程的证据。