作者：金仕綸
碳-12，一個包含6箇中子和6個質子的核素，是一個對人類極為重要，甚至可以説是最重要的原子核。
碳（C）,是所有元素中化合物種類最多的，已記錄的有1千萬種之多。碳的化合物是地球上所有生物的化學基礎，因此碳元素可以説是我們的生命元素。
人類已經在各個層面上對碳開展了大量的探索、研究和應用。今天，我們主要關心碳元素的起源。在此之前，我們先來大致瞭解一下宇宙中的元素是怎麼來的？咱們可千萬不能説，元素是從地下挖出來的。因為在浩瀚的宇宙中，地球只是星際塵埃凝聚成的一個小球。而我們要探尋的，是這些塵埃的第一齣生地。
宇宙中所有元素誕生的產房，基本可以分為3類：
1. 宇宙大爆炸初期產生的氫（H）、氦（He）和少量的鋰（Li）三種元素，他們的產生被稱為元祖核合成，這大約發生在大爆炸後的3分鐘裏。
2. 在大爆炸後的10億年左右，恆星開始形成，也提供了最重要的元素合成温牀。現有的恆星模型就像一個很熱的洋葱，有很多不同的燃燒層組成。外層的輕質量元素的燃燒產物，進入內層併成為燃料併產生更重的產物，直到最後達到核芯。
核芯區域通常是以鐵（Fe）元素為主，往後就沒有辦法繼續燃燒了，這是因為環境温度無法克服兩個Fe之間的庫倫排斥力而將它們點燃，於是需要：
3.爆發性核合成，它有許多不同的形式，如2017年美國激光干涉引力波天文台（LIGO）率先通過引力波發現的雙中子星合併的千新星爆發，1987年塔蘭圖拉毒蛛星雲超新星爆發，含中子星雙星系統的X射線暴等等。
爆發性核合成場景各不相同，偏好產出也不同，但共有的基本性質就是可以產生高温度、高密度的極端環境從而滿足合成需要的條件。
從核反應的角度來看，之前恆星中燃燒過程對應的熔合反應無以為繼，取而代之的是：中子俘獲反應、質子俘獲反應、光致解離、裂變反應、β衰變反應等等。核天體物理學家在抽象了各種場景後，提取出多種過程去解釋不同區域原子核的誕生。
這個領域也是當前核物理與核天體物理最為關心的，因為這裏可以回應目前尚未確定的一個基本科學問題：宇宙中比鐵重的元素是如何產生的？
除這三項外，宇宙射線也被認為是某些核合成可能的場景。
以上粗略繪製了元素合成的大致圖像，下面來看我們關注的重點——碳-12是如何產生的。
除卻少部分在豐中子超新星爆發中經由鈹-9的(α,n)反應產生，宇宙中最主要的碳-12都是通過3α反應產生的，即α+α+α->12C。這裏的α粒子指的就是一個氦-4。它發生的地點是在紅巨星的氦燃燒層內。
3α反應是由弗雷德·霍伊爾爵士於1956年通過理論計算提出的，並得到了廣泛的認可。他指出，存在一個7.7MeV的2+(2表示自璇，+表示宇稱)激發態，由極短壽命的鈹-8共振態可以俘獲一個α從而形成碳-12。隨後在1957年，實驗上發現了這個態，由此確定了碳-12產生的機制，這個態也被稱之為霍伊爾態。在此需要説明的是，Salpeter在1952年曾給出了和霍伊爾一樣的理論預測。
圖 弗雷德·霍伊爾 圖片來源 | 加州理工學院
霍伊爾爵士因此也深孚眾望，乃至於宇宙大爆炸理論的創始人伽莫夫為此自編了新的聖經創世紀，講到上帝在創造質量大於5的物質時遇到困難，隨即説“要有霍伊爾”，然後霍伊爾誕生，重元素才被製作出來。
3α反應具有十分積極的意義，在許多方面都是一個最重要的反應。在天然穩定元素中沒有質量數為5和8的任何元素，3α反應建立了一座質量數從4(氦-4)到12(碳-12)的橋樑，從而跨越了這個罅隙。當碳-12誕生以後，隨後大量不同天體場景下的核合成演化路徑成為可能。
以上就是核合成及3α反應的簡介。作為碳基生物的人類，通過自身的意識創造的知識反過來認識到了碳本身的來源及演化，這毫無疑問的彰顯出了智慧的光芒與人類的尊嚴。
最近，來自中國科學院近代物理研究所的金仕綸與美國密西根州立大學國家超導加速器國家實驗室的合作者在核合成及3α反應的研究方面取得新進展，相關成果發表在Nature上。
研究者們指出，在高温高密度的核天體環境下，3α反應的增強會帶來碳-12的產量增大，繼而減弱了豐質子環境的超新星核合成。該研究改變了人們對鉬（Mo）和釕（Ru）同位素來源問題的認知。
在爆發性核天體環境中，高温度、高密度的自由中子和質子會與霍伊爾態的碳-12作用，強化了7.56MeV的霍伊爾態放出一個4.44MeV伽馬光子，褪激到碳-12的第一激發態上，這使得霍伊爾態寬度增加，從而增強了3α反應率。反應率的增強意味着，同樣的時間裏會有更多的碳-12產生，當這個結論應用在具體的天體環境中，神秘的事情就將發生。
研究人員把目光放在了豐中子環境的超新星爆發核合成上。超新星核塌縮後所釋放的大量能量，被中微子攜帶會驅動豐質子環境的物質流，主要包含温度超過100億度的達到統計平衡的自由質子和中子。隨着物質流快速的延展，其温度也急速下降，在30億到50億度之間，3α反應開始形成碳-12，隨後可以形成鎳-56、鋅-60和鍺-64等中質比相同的核。這些核隨着温度繼續降低，以(p,γ)反應的形式產生了大量的遠離穩定β衰變線的豐質子核素。隨着温度降到10億度以內，以上過程歸寂，不穩定核以β衰變的形式回到穩定線。這就是中微子質子俘獲過程。
研究者們把增強的3α反應率植入到中微子質子俘獲過程的腳本，使用天網核合成演化計算網絡，進行海量場景的計算。結果顯示核合成被強烈抑制。這是因為，碳-12是中微子質子俘獲過程演化中的種子，當更多的種子產生後，肥料(質子)就相對不夠了，導致普遍發育不足。
具體觀察這種發育不足對每一種核素的影響，研究者們獲得了一個重大且顛覆性的結論。長期以來，科學家們都認為，鉬-92、鉬-94、釕-96、釕-98等核只能在中微子質子俘獲過程中產生。然而，增強的3α反應指出，在中微子質子俘獲過程中，它們的來源依舊無法解釋。
本工作的作者之一，原美國國家超導迴旋加速器實驗室主任Sam Austin對此表示：“這多少讓人有些失望，我們以為我們瞭解了，但我們其實瞭解的不夠”。作為一位90高齡還很活躍的科學家，Sam長年對3α反應保持興趣，並且樂於引領年輕人，眼下的狀況將促使他繼續不停歇的探索。而另一位作者Hendrik Schatz, 美國國家科學基金會前沿物理中心JINA-CEE主任，則樂觀的多：“進步來自於矛盾，我喜歡進步，儘管它毀掉了我最喜歡的理論”。
這個工作的意義在於，它推翻了我們過去固有的認識，然而推翻本身就是一種進步。科學家們對鉬和釕同位素來源的探索不會停步，除了繼續尋找合適的天體環境，另一方面，地面實驗室給出的重要實驗數據也是一個重要的依據。
現有的模型大量依賴理論預計的物理量，包擴原子核質量、俘獲反應率、β衰變壽命、Q值、裂變性質等等。此刻，在廣東省惠州市惠東縣的海邊，一座強流重離子加速器裝置正在緊張的建設中，未來將為一大批與天體核合成相關的實驗測量提供機遇。這些測量將會提供堅固的數據基石，更為精準地雕琢我們對元素起源的認識。
撰寫：金仕綸