中国科学院近代物理研究所参与国际合作实验研究，首次测量得到铊-205离子的束缚态β衰变半衰期，为理解太阳长期稳定性提供了重要信息。相关成果于近日发表在《物理评论快报》上。近代物理所储存环核物理室作为主要贡献团队在实验开展等方面发挥了重要作用。
太阳是地球生命的主要能量来源，通过核聚变过程产生巨大的能量。在这一过程中，太阳会释放出中微子，这些粒子为我们探索太阳内部动态提供了重要线索。尽管现代中微子探测器能够揭示太阳当前的活动情况，但太阳在数百万年间(这一时间段内地球曾经历显著的气候变化)的稳定性仍是一个未解的科学难题。
为了深入研究这一科学问题，科学家于上世纪80年代提出红铊矿实验(LOREX)。该实验是目前唯一还在运行中的研究太阳中微子长期历史的地球化学实验，其目标是利用地质记录来测量太阳中微子在数百万年间的通量。铊-205在已知核素中具有最低的中微子俘获阈值，是探测太阳中微子的理想核素。太阳产生的中微子与红铊矿中的铊-205原子相互作用，将其转变为铅-205原子。铅-205在地球上的半衰期长达1700万年，因此它能很好地记录太阳中微子活动。然而，铊-205的中微子俘获截面至今无法直接测量。
在本研究中，研究团队利用德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI/FAIR)的加速器系统生成初级束流，通过与靶核碰撞产生、经碎片分离器(FRS)纯化出205Tl81+次级束流，并将其引入冷却储存环(ESR)进行长时间观测。研究团队测得205Tl81+离子的束缚态β衰变半衰期约为291天，显著长于此前的理论预测值122天或52.43天。
基于这一结果，团队间接获得了核跃迁矩阵元的大小，从而首次精确计算了铊-205的中微子反应截面，并得出太阳中微子总俘获率为92±14SNU(太阳中微子单位)。
该研究成果为LOREX实验未来的发展指明了方向。根据实验数据估算，现有实验条件下实现统计显著的测量难度极大，还需进一步提高实验灵敏度。如果LOREX实验能够成功确定红铊矿中铅-205原子的丰度，将为太阳在过去400万年间的演化历史及其与地球气候变化之间的联系，提供重要的科学见解。
图：实验装置示意图 图/陈瑞九
