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幽灵粒子：重元素形成的秘密武器
新研究表明，中微子这种"幽灵粒子"可能在重元素形成过程中扮演关键角色，为元素合成提供了新的理论途径。
大原子的构建需要巨大的能量。一个新的量子相互作用模型现在表明，宇宙中一些最轻的粒子可能在至少部分重元素的形成中发挥关键作用。
美国物理学家已经证明，被称为中微子的亚原子"幽灵"粒子如何能够迫使原子核转变为新元素。
这不仅是一种全新的构建比铁更重元素的方法，还可能描述一种长期假设的"中间"路径，处于两种已知过程——核聚变和核合成之间的边界。
对于大多数比氢更大的元素来说，一颗巨大明亮恒星的温暖怀抱足以让质子和中子克服强烈的排斥力，维持足够长的时间，让其他短程相互作用接管。这种聚变拥抱释放额外的能量，帮助恒星核心保持温暖。
一旦原子核中的核子数量增长到约55个——相当于铁原子核的质量——添加额外质子所需的能量就超过了聚变过程可能释放的能量。
这种热核经济学的转变意味着元素周期表中的重量级选手只能在额外的中子粘附到凝结的核粒子团上足够长的时间时形成，直到其中一个衰变并释放出一个电子和一个中微子，将其转化为符合新元素资格所需的额外质子。
通常情况下，这个过程非常缓慢，在大型恒星内部，原子核不断碰撞，频繁地获得和失去中子，很少有原子核在关键时刻转变为质子，这个过程可能持续数十年甚至数百年。
如果给予足够的冲击，这种增长也可能出人意料地快速——在坍缩和碰撞的恒星的炽热混乱中，可能只需几分钟。
但一些理论物理学家一直在思考是否存在其他途径，介于缓慢或"s"过程和快速或"r"过程之间的中间过程。
研究的首席作者、威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家Baha Balantekin说："化学元素的形成地点尚不清楚，我们也不知道所有可能的形成方式。我们认为一些元素是在超新星爆炸或中子星合并中形成的，许多这些天体受量子力学定律支配，所以我们可以利用恒星来探索量子力学的某些方面。"
解决方案可能就在宇宙环境中涌出的中微子洪流的量子性质中找到——中微子是宇宙中最丰富的有质量粒子。
尽管质量几乎为零，几乎没有任何方式让人察觉它们的存在，但由于数量庞大，这些短暂的"幽灵粒子"的发射和偶尔吸收仍然会对大质量恒星和灾难性宇宙事件深处嗡嗡作响的质子和中子的收支产生影响。
中微子的一个奇特特性是它在量子模糊状态下振荡的习惯，在穿越空旷空间时在几种身份风格之间切换。
对大量在混沌的核子汤中翻转和摇摆的中微子进行建模说起来容易做起来难，所以物理学家通常将它们视为一个单一系统，将单个粒子的特性视为一个大的、纠缠的超级粒子。
Balantekin和他来自乔治华盛顿大学和加州大学伯克利分校的同事采用了相同的方法，以更好地理解新生中子星撞击周围环境时释放的中微子风如何作为一种中间核合成过程。
通过确定单个中微子的量子身份在多大程度上依赖于这种纠缠态的程度，研究团队发现这场幽灵风暴可以产生大量新元素。
Balantekin说："这篇论文表明，如果中微子是纠缠的，那么就会出现一种增强的新元素生成过程，即i过程。"
虽然理论上数字合理，但测试这个想法是另一回事。
在地球上研究"幽灵般"中微子的相互作用仍处于起步阶段，研究人员只能凝视遥远的太空，寻找最大元素聚合新方式的证据。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。