核同质异能态的研究对诸如核钟、核电池、清洁核能和核γ射线激光等开创性的应用具有至关重要的意义。然而由于大多数同质异能态具有微小的激发截面和快速衰变的特征，难以通过主流的加速器/对撞机等有限峰值流强的装置积累核同质异能素进行研究，因此很多同质异能态只存在于理论计算之中，实验结果的缺失迟滞了对理论模型的验证和修正能力，从而成为该领域发展的重大瓶颈。为此，人们一方面开始试图获得更强的激发能力如建造更大型的加速器和对撞机，但这将带来了造价和维护成本的几何级攀升;另一方面，人们试图通过将加速器置于深地环境之中，在相同的激发能力基础上通过降低本底获得足够高的信噪比，但这也对探测器的灵敏度提出了更为苛刻的要求。幸运的是，基于激光等离子体的粒子束和辐射源具有超高的峰值束密度(可高出射频加速器装置如FACET-II 装置4个量级)，可构筑超强的“等离子体激发器/对撞机”，为该领域的创新发展特别是激发和反应截面的测量提供前所未有的研究能力。
近期，上海交通大学物理与天文学院陈黎明教授课题组与中国工程物理研究院研究生院王旭研究员课题组合作，提出了一种基于强激光的测量微小(10 pb量级)核激发截面的新方法。研究结果以“Laser-based approach to measure small nuclear cross sections in plasma”为题发表在美国科学院院刊(PNAS)(J. Feng et al., PNAS 121, e2413221121 (2024))。
(左)实验布局示意图;(右)实验获得的氪-83原子核同核异能态激发截面与理论计算值的比较
实验布局如左图所示。在实验中，强激光脉冲(脉冲能量为3 J，中心波长为800 nm)与氪气凝聚的原子团簇相互作用，电离团簇中的原子，产生高温(～109 K)和高电子密度(～10倍固体中原子密度)的等离子体球，该等离子体中的电子通过非弹性碰撞库伦激发机制，将氪-83原子核从基态(g.s.)激发到多个激发态(e.s.)。这些激发态有一定的概率衰变至能量为41.56 keV的较长寿命激发态(同核异能态i.s.，寿命为1.83小时)。这一核激发过程持续约几个皮秒，随着团簇膨胀解离而结束。随后，氪离子通过冷凝的方式被收集，并利用NaI探测器进行谱测量，获取来自氪-83同核异能态衰变的辐射谱。结合探测到的氪-83同核异能态数量与团簇等离子体的各项参数(如电子密度、温度、激发时间、离子数量等)，可以得到电子通过非弹性碰撞库伦激发氪-83同核异能态的等效截面，如右图所示。在实验中，通过调控激光脉冲强度，获得了5个不同温度下的核激发截面值，与理论计算结果较好地符合。
与传统的基于加速器的核激发方法相比，基于强激光与团簇相互作用的方法具有极高的峰值电子密度和原子核激发效率，因此能够探测到截面低至10 pb量级的核激发信号。该方法可应用于其它极小核激发/反应截面和极短半衰期的同核异能态测量，为基础核数据的获取提供了一种全新的测量手段。此外，该方法不仅适用于惰性气体团簇，也可用于化合物团簇和金属团簇，是一种具有广泛应用前景的原子核激发技术。
上海交通大学物理与天文学院冯杰助理研究员与中物院研究生院祁金涛博士(现为深圳技术大学助理教授)为论文的共同第一作者。
