物理学家设计了一个实验来确定元素的起源

我们宇宙中几乎所有的氧气都是在像太阳这样的大质量恒星的腹部形成的。当这些恒星收缩和燃烧时，它们会在核心内部引发热核反应，在那里，碳和氦的原子核可以发生碰撞和聚变，这是一种罕见但却必不可少的核反应，产生宇宙中的大部分氧气。

这个产氧反应的速率很难确定。但是，如果研究人员能对所谓的“辐射捕获反应速率”有一个足够好的估计，他们就能开始解答一些基本问题，比如宇宙中碳与氧的比例。精确的速率也可以帮助他们确定爆炸的恒星是否会形成黑洞或中子星。 

现在，麻省理工学院核科学实验室(LNS)的物理学家们提出了一种实验设计，可以帮助确定这种产氧反应的速率。这种方法需要一种仍在建设中的粒子加速器，在世界各地的几个地方。一旦启动并运行起来，这种“多兆瓦”的线性加速器可能会提供恰好合适的条件，让产生氧气的反应反向进行，就像让恒星形成的时钟倒转。

研究人员表示，这样的“逆反应”应该能让他们对恒星中实际发生的反应速率有一个估计，其准确度高于此前的研究成果。

麻省理工学院(MIT)物理学教授理查德•米尔纳(Richard Milner)表示:“物理学家的职责是了解这个世界，而目前，我们并不十分了解宇宙中的氧气来自何方，以及氧和碳是如何形成的。”“如果我们是对的，这项测量将帮助我们回答核物理中关于元素起源的一些重要问题。”

米尔纳是一篇论文的合著者出现在今天的《物理评论》,作者和MIT-LNS博士后。伊Friščić和麻省理工学院理论物理中心的高级研究科学家t·威廉·唐纳利。

急剧下降

辐射俘获反应速率指的是发生在恒星内部的碳-12核与氦核之间的反应，也称为阿尔法粒子。当这两个原子核碰撞时，碳原子核有效地“捕获”阿尔法粒子，并在这个过程中被激发，以光子的形式辐射能量。剩下的是一个氧-16核，它最终衰变为存在于我们大气中的一种稳定形式的氧。

但这种反应在恒星中自然发生的几率非常小，因为阿尔法粒子和碳-12原子核都带着很高的正电荷。如果它们确实近距离接触，它们自然倾向于排斥，这就是库仑力。为了融合形成氧气，这对粒子必须以足够高的能量碰撞，以克服库仑力——这是一种罕见的现象。如此极低的反应速率是不可能在恒星内部的能量水平上被探测到的。

在过去的50年里，科学家们一直试图在小型而强大的粒子加速器中模拟辐射捕获反应速率。他们通过氦和碳两束的碰撞来达到这一目的，希望通过融合两束氦和碳的原子核来产生氧气。他们已经能够测量这些反应并计算出相应的反应速率。然而，这些加速器碰撞粒子的能量远远高于恒星中发生的能量，以至于目前对产生氧气反应速率的估计很难推断出恒星中实际发生了什么。

“这反应相当著名的在更高的能量,但它急剧下降,正如你在能源、有趣的天体物理区域,“Friščić说。

时间,反过来

在这项新的研究中，研究小组决定重拾先前的概念，产生与产氧反应相反的产物。本质上，目标是从氧气开始，把它的原子核分裂成它的起始成分:一个阿尔法粒子和一个碳-12原子核。研究小组推断，反向反应发生的概率应该比正向反应更大，因此更容易测量。在离实际恒星能量范围更近的能量下，也可能发生相反的反应。

为了分裂氧，它们需要一束具有超高电子浓度的高强度光束。(撞击一团氧原子云的电子越多，数十亿个电子中有一个具有正确的能量和动量与一个氧原子碰撞并分裂的几率就越大。)

这个想法来自于麻省理工学院的研究员Genya Tsentalovich，他于2000年在麻省理工学院贝茨南霍尔电子存储环领导了一项实验。尽管这个实验从未在贝茨加速器上进行过，但唐纳利和米尔纳认为这个想法值得深入研究。贝茨加速器于2005年停止工作。建设新一代的起始线性加速器在德国和康奈尔大学,有能力生产足够高强度的电子束,或电流,可能引发反反应,和Friščić的到来在麻省理工学院,2016年开始研究。

米尔纳说:“这些具有数十毫安电流的新型高强度电子设备的出现，重新唤起了我们对这种(逆反应)想法的兴趣。”

该团队提出了一项实验，通过向低温、超冷的氧气云中发射电子束来产生相反的反应。如果一个电子成功地与一个氧原子碰撞并分裂，它就会以一定的能量散开，这是物理学家之前预测的。研究人员将在给定的能量范围内分离出包含电子的碰撞，并从这些碰撞中分离出后续产生的阿尔法粒子。

粒子是在O-16原子分裂时产生的。其他氧同位素的分裂也会产生阿尔法粒子，但是这些粒子的分散速度会比O-16原子分裂产生的阿尔法粒子快10纳秒。因此，研究小组推断他们将分离出那些速度稍慢、“飞行时间略短”的阿尔法粒子。

然后，研究人员可以计算出逆反应的速率，因为阿尔法粒子分裂的速度较慢，而O-16原子分裂的速度也相对较慢。然后，他们建立了一个模型，将恒星中自然产生的氧气的逆反应与直接、正向反应联系起来。

“我们实际上是在做时间反向反应，”米尔纳说。“如果你以我们所说的精确度来测量，你应该能够直接提取出反应速率，比这个地区任何人所做的都要多20倍。”

目前，德国正在建造一台多兆瓦的线性加速器MESA。Friščić和米尔纳与物理学家合作设计实验,在希望,一旦启动并运行,他们可以把他们的实验采取行动,真正确定恒星的速度生产氧气到宇宙中。

米尔纳说:“如果我们是正确的，我们进行这项测量，它将使我们能够回答恒星中形成了多少碳和氧，这是我们对恒星如何演化的理解中最大的不确定性。”

这项研究是在麻省理工学院的核科学实验室进行的，部分得到了美国能源部核物理办公室的支持。