超强激光驱动核反应：一种高效激发同核异能态的新途径

同核异能态是指具有相同质子、中子数的原子核所处的亚稳定态，相应的这些元素互称为同核异能素。在爆炸性的天体环境中，如新星、超新星和中子星合并，会产生一部分亚稳态的同核异能素。这些亚稳态的核素参与了天体环境中的元素核合成，因此在宇宙的演化过程中发挥着重要作用。

图1 产生同核异能素的天体环境

图2 天体核合成过程

以铕(152Eu)元素为例，它的一个同核异能态152m1Eu有73%的概率通过β-衰变生成天体p-核素钆(152Gd)。在天体p-核素152Gd的形成过程中，涉及152m1Eu的核反应流可对152Gd的丰度产生影响。152m1Eu的高效激发有望为探索天体p-核素的产生及其丰度提供一定的约束条件。

图3 152m1Eu通过β-衰变产生152Gd

科学家们一直致力于超强超短激光的研制及其应用研究。最近，科学家们通过超强超短激光等离子体加速以及光核反应方式，实现了152m1Eu的高效激发产生。在实验中，科学家们利用激光与氮气靶相互作用，产生MeV量级的高能电子束。这些高能电子束进一步轰击钽金属靶，产生高能轫致γ射线。最后，这些γ射线与Eu2O3靶相互作用，通过光中子反应生成152m1Eu。通过这项研究，科学家们不仅实验演示了激光高效激发产生同核异能态152m1Eu，而且模拟预测了152m1Eu和处于更高能态的152m2Eu的产额、产生时间和峰值激发效率随激光加速电子温度的变化趋势。研究发现，当入射电子的温度高于10 MeV时，152m1Eu和152m2Eu的峰值激发效率分别有望达到1017和1016个粒子/秒，比传统加速器的峰值效率高出至少5个数量级。

图4 超强超短激光研制的先行者——法国科学家Gérard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland(注：他们因发明了啁啾脉冲放大技术获得2018年诺贝尔物理学奖)

图5 利用超强激光驱动光核反应产生152m1Eu和152m2Eu的示意图

图6 152m1Eu和152m2Eu的产额(a)产生时间(b)以及峰值激发效率(c)随电子温度的变化预测

这项研究的成功实施，不仅展示了超强激光驱动核反应在高效激发同核异能态方面的巨大潜力，还为进一步探索宇宙元素来源以及核能可控释放研究打下了坚实基础。随着科技的不断进步，我们期待未来能够通过更多的实验和研究，深入理解同核异能素的性质和应用，为人类的发展和进步做出更大的贡献。