宇宙中幾乎所有的氧都是在像太陽這樣的大質量恆星內部鍛造而成的。隨著這些恆星的收縮和燃燒，它們會在核心內部引發熱核反應，碳和氦的原子核可以在那裡發生碰撞和聚變。這是一種雖然罕見但卻必不可少的核反應，產生了宇宙中的大部分氧。
然而，我們很難確定這種產氧反應的速率。麻省理工學院（MIT）的物理學教授Richard Milner說：“物理學家的職責是瞭解這個世界，但是目前我們並不十分了解宇宙中的氧究竟來自何方，也不甚清楚氧和碳是如何形成的。”
如果物理學家對所謂的“輻射俘獲反應速率”這個物理量能有足夠好的估計，那麼一些基本問題也就可以得到解答，比如宇宙中碳與氧的比例。此外，精確的速率可以幫助我們確定爆炸的恆星是否會形成黑洞或中子星。
現在，Milner與他的同事提出了一種能確定這種產氧反應速率的實驗設計。這一實驗方法需要用到一種“多兆瓦”的線性粒子加速器，這類加速器位於世界的好幾個地方，目前仍在建設中。一旦啟動並運行起來，這些加速器或許能提供恰到好處的條件，使產氧反應反向進行，就像倒轉了恆星形成的時鐘。
這樣的“逆反應”應該能讓研究人員對實際發生在恆星中的反應速率有一個很好的估計，其準確度可高於此前的研究成果。Milner說：“如果我們是對的，那麼這項測量將可以幫助我們回答核物理中與元素起源有關的一些重要問題。”
急劇下降
輻射俘獲反應速率指的是發生在恆星內部的碳-12核與氦核（也被稱為α粒子）之間的反應。當這兩個原子核發生碰撞時，碳原子核就會“俘獲”α粒子，並在這個過程中受到激發，以光子的形式輻射出能量。從而留下一個氧-16核，最終衰變為一種能以穩定性是存在於我們大氣中的氧。
但在恆星中，這種反應自然發生的幾率非常小，因為α粒子和碳-12原子核都帶有正電荷。當它們近距離接觸時，庫侖力會使它們自然地相互排斥。若要聚變形成氧，這兩種粒子必須要以足夠高的能量發生碰撞才能克服庫侖力的阻礙，而這是一種罕見的現象。如此低的反應速率是不可能在恆星內部的能量水平上被探測到的。
在過去的50多年裡，科學家一直試圖在高能的粒子加速器中模擬輻射俘獲反應速率。為了達到這一目的，他們將氦和碳的粒子束碰撞在一起，希望氦和碳的原子核能發生聚變，從而產生氧。他們已經做到了對這些反應進行測量，並計算出相應的反應速率。但是，在加速器中，粒子發生碰撞時的能量遠遠高於恆星中的能量，因此導致了根據目前對產氧反應速率的估計很難推斷出恆星中實際發生了什麼。
逆轉時間
在這項新的研究中，MIT的物理學家們決定重拾先前的一個概念，來製造產氧反應的逆反應。其本質上就是從氧氣開始，然後把它的原子核分裂成它的起始成分：一個α粒子和一個碳-12核。研究人員推斷，逆反應發生的概率應該比正反應更大，因此更容易測量。而且逆反應或許可以在接近恆星的實際能量範圍下進行。
若要將氧分裂，需要用到一束具有超高電子濃度的高強度電子束。當電子束在撞擊一團氧原子雲時，電子含量越多，那麼在數十億個電子中存在一個能與某個氧原子發生碰撞，且其能量和動量恰好能導致氧原子分裂的電子的幾率就越大。
這個想法起源於MIT的另一個研究員Genya Tsentalovich在2000年的一個嘗試。後來，Milner等人認為這是一個值得深入研究的想法，因此又重拾這一設想。正在德國和康奈爾大學建設的新一代線性加速器就有能力生產足夠高強度的電子束，或者說電流，從而有可能引發逆反應。於是在2016年開始了這項新的研究。
Milner 說：“這些具有數十毫安電流的新型高強度電子設備的出現，重新喚起了我們對這種（逆反應）設想的興趣。”
他們提議，可以在實驗中通過向一團低溫、超冷的氧原子雲發射一束電子束來產生逆反應。如果一個電子能成功地與一個氧原子碰撞並將這個氧原子分裂，那麼它就會以一定的能量散開，這是物理學家在之前就預測過的。研究人員將要在給定的能量範圍內分離出包含電子的碰撞，並從這些碰撞中分離出後續產生的α粒子。
α粒子是在氧-16原子分裂時產生的。氧的其他同位素的分裂也會產生α粒子，但是這些粒子的分散速度會比氧-16原子分裂而產生的α粒子快大約10納秒。因此，研究人員推斷他們將會分離出那些速度稍慢、“飛行時間略短”的α粒子。
然後，研究人員就可以計算出逆反應的速率，因為α粒子分裂的速度較慢，而氧-16原子分裂的速度也相對較慢。然後，他們建立了一個模型，將恆星中自然產生的氧的正逆反應聯繫起來。
Milner說：“我們實際上做的是逆轉時間的反應。如果能以我們所說的精確度來測量，那麼就應該能直接提取出反應速率，這比在任何人在這一範圍內所做出的測量要精準20倍。”
如果正在德國建造的多兆瓦線性加速器MESA的已建成並投入運行，物理學家就可以將他們的實驗設計落到實處，通過實驗來確定恆星為宇宙生產氧的速率。如此一來，這些測量將使物理學家解答恆星中形成了多少碳和氧這一問題，這也是目前我們對於恆星演化的理解中最大的一個不確定性。
原文鏈接：
http://news.mit.edu/2019/experiment-oxygen-universe-0820
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