钍-229：如何用可见光波长范围内的激光激发第一个核转变

通过(a)共振激发或(b)通过第二核激发态激发产生229mTh异构体。第二种情况需要离子束的大洛伦兹系数，这可以在大型强子对撞机（LHC）上实现。资料来源：《物理评论研究》（2023）。DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023134

质量数为229的钍同位素（229Th）在许多方面都非常令人兴奋--无论是基础物理学还是未来的应用，例如在核钟的意义上。

一个国际德中美研究小组在美因茨约翰内斯古腾堡大学Dmitry Budker教授小组的参与下，现在提出了一种全新的方法来详细研究229Th。研究人员希望使用在中性原子中存在的90个电子中只剩下三个电子的钍离子。

研究人员在本期的《物理评论研究》杂志上报告说，这样的系统具有许多优势，最明显的是可以用可见光波长范围内的常规激光器来激发第一个核转变。然而，这需要离子在一个相对论的存储环中进行循环。

新物理学的测试实验室

钍-229的特别之处在于它的原子核，其可转移的同分异构体状态钍-229m到目前为止在目前已知的所有大约3800个原子核中具有最低的激发能级。因此，它是唯一有可能用激光询问的核转变--即使不使用存储环。对这一转变和两种核状态的极其精确的测量开辟了有希望的和多样化的前景。

为此，德米特里-巴德克领导的研究人员现在提出了一种新的方法--在 "研究对象 "和实验环境方面：他们正在使用高电荷离子，或简称为HCI，特别是那些电子壳中只剩下三个电子的离子。在这种高电荷的钍离子中，电子和原子核之间的相互作用开启了一些新的转变，可以用来有效地 "填充 "核异构体状态。

我们的想法是在粒子加速器中把这些钍离子加速到几乎是光速的速度。通过这种方式，他们形成了一种杠杆效应，可以说，为了尽可能有效地用常规激光激发它们，从而能够非常精确地研究它们。最重要的是，可以处理多个激发态，并用于 "填充 "实际感兴趣的异构体状态。

以前对钍-229m的大多数研究都是处理低电荷状态的非相对论原子或离子，这对激发所需的光源提出了很高的要求--因为需要在深紫外范围内使用极短波长的激光。"德米特里-巴德克解释说："我们可以使用可见-常规波长范围内的激光，这反而使光谱研究更加容易。

"这一点是可能的，这与钍离子被加速到几乎是光速的事实有关。由于相对论效应，它们将从正面射向它们的激光束感知为波长更短的光束：对它们来说，传统的激光看起来就像紫外线激光。"第一作者Junlan Jin补充说，他目前是普林斯顿大学的博士生，之前作为远程实习的一部分，他与Dmitry Budker的小组进行了非常密切和成功的合作。

在目前的出版物中，作者描述了实现其方法所需的各种步骤： 他们从产生一束加速的高电荷钍离子开始，可能的加速器环是在德国达姆施塔特的GSI正在建设的FAIR设施，或计划在欧洲核子研究中心的伽马工厂--目前的钍出版物的作者也参与了实现这种 "超级光源 "的概念性建议。

然后他们详细讨论了获得最完整的钍核激发的各种方案，然后重点讨论了对所产生的激发态的检测和对类似系统的可转移性。

研究小组的结论： 根据他们的估计，异构态的能量可以以优于10-4的精度进行测量，甚至可以降到10-6以下，这是对目前数值的数量级改进。这将为进一步改进确定异构态的能量铺平道路，并有助于利用钍系统回答基础物理问题。

"核钟的开发并不是我们提案的重点，因为为了实现它，我们的新方法带来了各种技术挑战，"Dmitry Budker补充说。

"然而，对我们来说，钍是解决基本物理问题的一个非常大的'游乐场'，可以说是一个新物理学的试验室。例如，我们想回答这样一个问题：自然界的某些基本常数是否可能不是那么恒定，而是随着时间或地点的变化而漂移或振荡。此外，人们可以想象对基本对称性的测试和对超越标准模型的粒子或场的搜索。"

参考资料：Junlan Jin et al, Excitation and probing of low-energy nuclear states at high-energy storage rings, Physical Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023134

作者：Owais Ali