隕石中的矽含量之謎

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  • 撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
  • 發文日期:2016-06-12
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矽是地球上含量第八多的元素,最常見的形式就是以二氧化矽的型態在地殼中出現,也就是各式各樣的岩石。地球上有三種穩定的矽同位素,分別是矽28,矽29,矽30,分別占地球上總量的92%, 5%, 3%。2001年,當一群研究人員在研究隕石的成份的時候,發現到隕石裡面的矽30比例是地球的兩倍。當時這群研究人員認為這個隕石可能是來自新星爆炸時所留下的殘骸。因為新星爆炸時的高溫足以引發熱核反應,所以可以產生足夠多的磷30,磷30進而衰變成為矽30,因此造成較大的矽30含量。這些同位素就這樣隨著這個隕石而被保留下來,進而成為新星爆炸的線索。


可惜的是這個假說有個問題。要讓磷30衰變成矽30,這個反應必須要比磷30吸收一個質子而變成硫31,也就是30P(p,g)31S的反應更快。當新星的溫度越高,磷30吸收質子的反應速率也會跟著提高。根據計算,新星的溫度可能會讓大部分的磷30變成硫31,而不是矽30。但是即便如此,計算所得到的矽30的含量還是比在隕石中所測量到的矽30含量更高,這表示隕石中的矽30可能有著其他的來源。

在這個計算中,最困難的部份是確定磷30吸收質子變成硫31,也就是30P(p,g)31S的機率。這個參數基本上沒有辦法經由實驗測量,因為實驗核物理學家沒有辦法收集到足夠多的磷30來進行測量質子吸收率,所以物理學家只能用估計的方法來得到這個機率。

密西根州立大學的Christopher Wrede想到了一個方法來測量這個反應的機率。他注意到這個反應的關鍵在當磷30吸收質子後,會變成硫31與一個光子的共振態。巧合的是,當氯31進行beta衰變的時候,也可以產生硫31與一個光子的共振態,所以他可以利用美國國家超導同步加速器實驗室(National Superconducting Cyclotron Laboratory, NSCL) 來產生足夠多的氯31,進而產生硫31與一個光子的共振態。透過仔細的光譜分析,他們可以決定在這個共振態中,硫31的角動量與宇稱態,進而精確計算出這個共振態的能量。

透過這些精準測量到的數值,他們發現磷30捕捉質子的機率比過去的估計要大的多,這表示有更多的磷30會變成硫31,而產生比原先估計更少的矽30,也就是說更貼近隕石中矽30含量的測量結果。

這個實驗結果儘管非常重要,但畢竟是間接量測磷30吸收質子的反應。Werde目前正在建立一套能夠直接測量這個反樣的實驗,預計五到七年內可以可以進行測量。



原始論文
"Isospin Mixing Reveals 30P(p,g)31S Resonance Influencing Nova Nucleosynthesis," Phys. Rev. Lett. 116, 102502(2016). http://journals.aps.org/prl/abstract/ ... 03/PhysRevLett.116.102502
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