mile米乐官方网站 成功人工创造出自然界中激发能最低的核态

自然界中有超过3300种原子核，但其中激发能最低的是(注1)的原子核是钍229。这种激发态（称为异构体态）是唯一可以使用激光激发的核激发态，通过将其与激光结合，可以创建超精密时钟（“核时钟”）。注2)可以实现。 Thorium-229 也有望成为基础物理研究的平台，例如阐明宇宙膨胀的奥秘。

钍229异构体态的研究已有40多年的历史，但虽然知道大致的能级，但激光激发尚未成功。困难的原因之一在于这种状态的产生方式。换句话说，到目前为止，除了利用与铀辐射相关的复杂衰变之外，没有其他方法可以产生它。

冈山大学、米乐m6官方网站 (AIST)、理化学研究所、大阪大学、京都大学、东北大学、维也纳工业大学和高强度光子科学研究所 (JASRI) 的联合研究小组在世界上首次成功地人工产生了异构体状态。该方法应用于大型同步辐射装置（SPring-8，注3），具有能够在辐射很少的清洁环境中自由生成异构体状态的优点。预计这将推进异构态的研究，并在实现核钟方面取得重大进展。

这项研究成果于英国时间9月11日下午6点（日本时间9月12日凌晨2点）发表在英国学术期刊《自然》

＜研究背景＞

《什么是钍229？ 》

自然界中有超过 3,300 种原子核。其中，激发能最低的原子核是钍229（原子序数Z=90，质量数A=229）。这种状态称为异构体状态，与基态之间的能量差只有几个电子伏特（注4)并且被认为处于可以被激光激发的能量范围内。通常情况下，原子核的激发能至少为keV或MeV，钍229的异构体状态可以说是极其独特的。

《为什么会受到关注？ 》

钍229的异构体状态正在引起世界各地研究人员的强烈关注。例如，在欧洲，成立了一个由八所大学和公司组成的名为“nuClock”的联盟，并一直专注于研究。冈山大学和 RIKEN 也作为 nuClock 合作伙伴参与其中。为什么会引起如此多的关注？这是因为钍229是自然界中唯一可以通过激光控制激发的原子核，也有望在日常生活应用和基础科学中发挥重要作用。

目前，时间是根据利用铯原子周期性振动的原子钟来确定的。另一方面，如果我们以钍原子核的周期性振荡为基础，就有可能构造出更精确的时钟（“核钟”），这有望推动大地测量学的进步，包括全球导航卫星系统（GNSS）和地壳形变的观测。另外，从基础科学的角度来说，寻找暗物质（注释 5) 以及物理常数随时间的变化 (注释 6)被认为是有效的探索舞台（平台）。

《突破性解决40年来的难题！ 》

钍229异构体态的研究已有40多年的悠久历史。通过这一努力，确定了大致的激发能量，并得出结论，它处于激光可以激发的范围内。然而，尚未获得实现激光激发所需精度的能量信息，并且对异构体状态的寿命知之甚少。此外，人们已经进行了许多尝试来观察异构体状态的光学跃迁，但都没有成功。这些困难的原因之一是必须使用涉及辐射的复杂过程来产生异构体状态。事实上，过去的实验主要利用铀233的衰变来产生异构体状态。

<研究成果内容>

在这项研究中，我们在世界上首次成功人工生成了钍229的异构体态。该方法利用大型同步辐射装置（SPring-8）的同步辐射，具有能够在洁净环境下自由生成异构体的优点。

《研究方法详情》

这项研究是使用 SPring-8 的 BL19LXU 和 BL09XU 的高亮度 X 射线进行的。图 1 表示钍 229 的主要状态。通常，钍229处于基态，但当受到能量约为29keV的X射线照射时，它会转变为第二激发态。到这种状态的转变是由核共振散射引起的 (注7) 的方法确认了这一点。在图2中，横轴表示入射X射线的能量，纵轴表示引起核共振散射的事件数。从图中可以看出，当入射X射线能量与第二激发态的能量完全匹配时，引起核共振散射的事件数量增加。

在本研究中，我们将使用高精度 X 射线绝对能量监测仪 (注释8)进行测量，我们成功地以世界最高精度确定了第二激发态的能量及其寿命。我们还能够确定从第二激发态到异构体态的跃迁概率（支化比）。这使我们能够证明异构体状态是大量产生的。

＜本研究的意义及未来发展＞

一般来说，为了详细了解物体的属性，需要准备大量的物体。此时，重要的是不能有干扰实验的杂质。这项研究的第一个意义是我们成功地以受控方式自由生产钍229异构体。此外，我们能够准确确定第二激发态的能量、其寿命以及转变为异构体的概率，极大地推进了我们对钍229核的理解。

我未来的目标是观察从异构体状态到基态的光学跃迁。这使得能够准确测定异构体激发能。此外，我们计划使用激光激发，实现​​高精度核钟，并探索物理常数随时间的变化。

图1钍229能级图（相关基态和激发态） 异构体按①-②的顺序生成。未来，我们计划观察③所示异构体状态的光学转变。

图2共振曲线（通过核共振散射法确认钍229向第二激发态的跃迁）

论文标题：第229核钟异构体的X射线泵浦
发表的论文：自然
作者：增田贵彦¹，吉见昭宏¹，藤枝晃¹，藤本宏之²，羽叶弘光³，原秀明¹，平木贵宏¹，海野弘之¹，笠松芳孝⁴，北尾慎司⁵，小梨贤治⁶，宫本由纪¹，冈井浩一¹，大久保翔¹，笹尾登¹*，濑户诚⁵，托尔斯滕·舒姆⁷，重川雄大⁴，铃木健太¹，西蒙·斯特尔默^7,10，玉作健二⁸，植竹聪¹，渡边诚⁶，渡边司²，安田由纪⁴，山口敦³，尤田喜孝⁹，横北拓也³，吉村元彦¹&吉村浩二¹*
¹冈山大学跨学科科学研究所，日本冈山。
²日本筑波国立先进产业科学技术研究院 (AIST)。
³RIKEN，日本和光。
⁴日本丰中大阪大学理学院研究生院。
⁵日本熊取町京都大学综合辐射与核科学研究所。
⁶日本东茨城郡东北大学材料研究所。
⁷奥地利维也纳工业大学原子和亚原子物理研究所。
⁸日本兵库县佐用郡佐用町理化学研究所 SPring-8 中心。
⁹日本同步辐射研究所 (JASRI)，日本兵库县佐用郡佐用町。

DOI：101038/s41586-019-1542-3

这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金（JP15H03661、JP17K14291、JP18H01230 和 JP18H04353）、松尾基金会和 EU FET-Open 项目（编号 664732 (nuClock)）的支持。

注1原子核的激发态：

在量子力学中，原子核具有离散的能态。当处于最低能量状态（基态）的原子核通过施加光或电子等粒子而被赋予能量时，原子核吸收该能量并转变到与基态不同的状态。这种状态一般称为激发态，激发所需的能量称为激发能。经过一定时间（寿命）后，激发态核返回到基态。[返回来源]

注2核钟和原子钟：

所有这些时钟都使用恒定频率的光或微波，这些光或微波被两个特定能级之间的跃迁所吸收，以创建时间标准。人们认为核钟不太容易受到环境变化的影响，因为原子核被电子云包围。为了实现核钟，需要精确控制两个能级之间的跃迁，而激光就是用于此目的。[返回来源]

注3大型同步加速器辐射设施SPring-8

这是位于兵库县播磨科学园区市的 RIKEN 设施，可产生世界上最高性能的同步加速器辐射，用户支持由高强度光子科学研究中心 (JASRI) 提供。 SPring-8 的名称是S上P霍顿环8它来自GeV（千兆电子伏特）。同步辐射是一种高度定向且强大的电磁波，当电子加速到几乎等于光速并且其行进方向被电磁体弯曲时产生。 SPring-8 正在利用这种同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。[返回来源]

注释 4eV：

能量单位。例如，2 eV 是红光（波长~620 nm，频率~48x10¹⁴赫兹）。[返回来源]

注释 5暗物质：

宇宙中暗物质的数量是正常物质（原子、分子等）的5到6倍。虽然它有质量，但无法用望远镜观测到，这就是它被赋予这个名字的原因，而它的真实身份仍然未知。[返回来源]

注6物理常数的老化变化：

例如，电子的电荷（严格来说，与电荷相关的数字，称为精细结构常数）被认为永远不会改变，因此被称为物理常数。近年来，出现了一种假设，即这些物理常数也可能随着时间的推移在宇宙历史的尺度上发生变化。[返回来源]

注7核共振散射：

原子核主要吸收光或X射线，跃迁到激发态，然后在一段时间后返回到其原始状态的散射过程。仅当入射光或 X 射线的能量与激发态的能量完全匹配时，才会发生此过程。[返回来源]

注8高精度X射线绝对能量监测仪

日本产业技术研究所开发的X射线绝对能量监测仪，通过将高纯度硅单晶放置在内置自校准旋转编码器的旋转台上，通过精确控制旋转来高精度测定X射线衍射角（入射X射线和衍射X射线之间的角度），该高纯度硅单晶的晶格常数是通过去除同位素而高精度确定的。通过自我检测和校正输出角度信号中包含的角度误差（由于安装过程中的刻度误差和轴未对准造成的误差），自校准旋转编码器可以以超过01秒的高精度检测角度，从而可以根据基于晶格常数的布拉格条件以1/400,000的高精度确定入射X射线的能量。[返回来源]