設(shè)想這樣一個科幻場景：一艘星際飛船意外失去導(dǎo)航，在宇宙深處流浪。處于“冬眠”狀態(tài)的宇航員也因此未被按時喚醒，冬眠持續(xù)了1030年。這一時間尺度大約是當(dāng)前宇宙年齡（約138億年）的萬億億倍。當(dāng)他醒來后，如何才能知道時間過去了如此之久？

依靠普通的時鐘顯然不能解決問題——要讓它們持續(xù)工作到那個時代，所需能量將達(dá)到恒星量級。依賴天體同樣無從談起：到那時，恒星熄滅，白矮星冷卻，中子星沉寂，黑洞難覓，熟悉的天文參照幾乎不復(fù)存在。

然而，假如飛船上恰好攜帶一塊合適的天然放射性同位素材料，則答案自現(xiàn)。一些天然核素的衰變進(jìn)程極為緩慢，哪怕在超長的時間尺度上，仍可作為晚期宇宙的可靠時鐘。

天然=穩(wěn)定？

天然同位素是指自然界中本來就存在的核素。有的元素包含多種天然同位素，比如碳元素家族有碳-12和碳-13；有的元素則只有一種天然同位素，例如金只有金-197。我們身邊的幾乎所有普通物質(zhì)，都是由天然同位素組成的。

許多人很容易把天然同位素理解成永恒不變的穩(wěn)定原子核，但事實并非如此。有些天然同位素并不是絕對穩(wěn)定，只是它們的衰變壽命和宇宙年齡相當(dāng)，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙年齡，所以才能從形成之初一直存活至今。

圖天然同位素與人工放射性同位素在核素圖中的分布。青綠色方格表示穩(wěn)定同位素，粉色方格表示長壽命天然放射性同位素，紫色方格表示短壽命天然放射性同位素，黃色方格表示人工合成的放射性同位素。圖源|The Segrè Chart,Chemogenesis

天然同位素自發(fā)衰變所表現(xiàn)出的放射性，稱為天然放射性。在286種天然同位素中，目前已發(fā)現(xiàn)具有天然放射性的有35種，其余251種按現(xiàn)有認(rèn)知歸類為穩(wěn)定同位素。鉀-40就是一種天然放射性同位素，它可以發(fā)生貝塔衰變。香蕉富含鉀元素，因此香蕉的天然放射性就比一些含鉀較少的食物略高一點。當(dāng)然，這種放射性非常微弱，并不會影響人體健康。

而鉍-209，過去一直被看作最重的穩(wěn)定核，直到2003年人們終于觀測到它的阿爾法衰變信號，衰變壽命長達(dá)1019年量級。又如釷-230，早在1985年，人們就發(fā)現(xiàn)它不僅會發(fā)生阿爾法衰變，還能發(fā)射比阿爾法粒子（氦-4原子核）重得多的氖-24原子核，其壽命在1017年量級，這種衰變被稱為重結(jié)團(tuán)放射性。還有氙-124，研究人員在2019年證實它會發(fā)生一種極為稀有的雙中微子雙電子俘獲過程，壽命長達(dá)1022年量級，是迄今為止直接探測確認(rèn)的壽命最長的核衰變過程。

圖原子核阿爾法（α）衰變（左）與重結(jié)團(tuán)衰變（右，以氖-24為例）示意圖。圖|張文強(qiáng)

壽命極長，如何測量？

一個很自然的問題：這些天然放射性同位素的壽命動輒就是宇宙年齡的萬億倍，人類怎么可能測得出來？

要回答這一問題，我們得先理解原子核“壽命”的含義。原子核衰變是微觀量子世界里的隨機(jī)過程，不是跟鬧鐘一樣，到點了就響。對于某一個原子核，我們無法準(zhǔn)確預(yù)言它會在哪一刻衰變，只能知道它在一段時間內(nèi)有多大概率發(fā)生衰變。壽命就是衡量這一衰變概率大小的統(tǒng)計概念：它不是說某個原子核一定能活多久，而是說大量同種原子核平均能活多久。

壽命越長，單個原子核單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率就越小。比方說，一個原子核的壽命是一億年，那它在一年內(nèi)發(fā)生衰變的概率就是一億分之一。這個概率確實微乎其微。可如果我們手里有一萬億個這樣的原子核呢？一年內(nèi)預(yù)期就有一萬個原子核發(fā)生衰變。

天然同位素極長壽命衰變的測量，正是這個道理。只要待測樣品質(zhì)量足夠大，即使單個原子核衰變的概率極低，監(jiān)測足夠長時間也能捕捉到相當(dāng)可觀的衰變事件。實驗室合成的人工核素大多壽命較短，往往“來也匆匆、去也匆匆”。天然同位素則不同，它們本就存在于自然界中，可以被收集制備成大質(zhì)量樣品開展長期測量。因此，在尋找極其稀有的衰變信號時，天然同位素反倒成了理想平臺。

而且，在稀有衰變實驗中，待測樣品和探測器并不一定非得是兩個獨立部分。對于阿爾法衰變和重結(jié)團(tuán)衰變來說，衰變粒子在材料中的射程通常只有微米量級。樣品做得太厚，深處產(chǎn)生的粒子“跑不出來”；樣品做得太薄，原子核數(shù)目又不夠。更理想的辦法，是讓待測樣品本身同時成為探測器：衰變發(fā)生在哪里，信號就出現(xiàn)在哪里，讓樣品自己測自己。這種“煮豆燃豆萁，原湯化原食”的測量方法，可稱為“源探一體”技術(shù)。

圖超級神岡探測器內(nèi)部水箱。探測器運(yùn)行時，巨大的圓筒水箱被約5萬噸超純水填滿，內(nèi)壁上密布的光電倍增管用于記錄粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光信號。圖源|日本超級神岡實驗

現(xiàn)如今，絕大多數(shù)稀有衰變實驗正是沿著這一技術(shù)推進(jìn)的。在中國四川錦屏深地實驗室開展的PandaX-4T實驗，使用大量液氙作為探測介質(zhì)，將氙-136的無中微子雙貝塔衰變壽命下限推進(jìn)到1024年量級。日本的超級神岡實驗則使用巨量超純水作為探測器尋找大統(tǒng)一理論預(yù)言的質(zhì)子衰變，其給出的質(zhì)子壽命下限已達(dá)1034年量級。

哪些原子核有望成為新的天然結(jié)團(tuán)放射性核？

除了尋找雙貝塔衰變和質(zhì)子衰變等稀有衰變過程，科學(xué)家們也把目光投向了天然結(jié)團(tuán)放射性觀測。結(jié)團(tuán)放射性是指原子核發(fā)射一個由若干核子組成的小“結(jié)團(tuán)”的過程，其中氦-4原子核，即阿爾法粒子，是最常見的結(jié)團(tuán)；更重的碳-14、氧-20等原子核也可作為結(jié)團(tuán)被發(fā)射出來。前面提到的鉍-209阿爾法衰變和釷-230發(fā)射氖-24，都屬于結(jié)團(tuán)衰變過程。

實際上，在天然同位素中足足有88個滿足發(fā)生阿爾法衰變的能量條件（衰變能為正值）的核素，其中大多數(shù)具備發(fā)射更重結(jié)團(tuán)的可能。但截至目前，實驗確認(rèn)天然同位素中具有阿爾法放射性的僅17個，而具有重結(jié)團(tuán)放射性的只有3個。還有哪些原子核有望成為新的天然結(jié)團(tuán)放射性核？

為了研究這個問題，在一項近期發(fā)表在《Physics Letters B》的研究中，研究人員把自然界中所有偶偶天然同位素系統(tǒng)掃描了一遍，計算它們發(fā)射阿爾法粒子和更重結(jié)團(tuán)時的壽命。他們預(yù)言了12個天然阿爾法衰變候選核，其中鉿-176的預(yù)期壽命最短，在1018年量級，成為最有希望被實驗觀測到的下一個天然阿爾法放射性核。對于更重的結(jié)團(tuán)放射性，若以1030年作為當(dāng)前稀有衰變實驗可測壽命的理想上限，那么在鉛殼層以下的天然偶偶核中，僅有鋨-186發(fā)射雙幻核鈣-48的結(jié)團(tuán)衰變壽命低于這一上限，使其成為將來尋找重結(jié)團(tuán)放射性最值得關(guān)注的天然候選核之一。

圖天然同位素阿爾法衰變能分布。紅色圓點表示預(yù)言的天然阿爾法放射核。圖源|PhysicsLettersB

那么，尋找這些候選核的天然放射性有什么意義呢？研究發(fā)現(xiàn)，天然阿爾法核素可為普適衰變定律等半經(jīng)驗衰變定律提供嚴(yán)格的參數(shù)約束。這些核素具有極低的阿爾法衰變能，而衰變能越低，壽命計算結(jié)果對衰變公式參數(shù)就越敏感。參數(shù)稍稍變一點點，給出的壽命卻是量級之別，真可謂“失之毫厘，差之千里”。也就是說，這些天然阿爾法放射核就像一把“參數(shù)標(biāo)尺”，能把衰變公式中的參數(shù)“卡”得很準(zhǔn)。

宇宙中最持久的時鐘之一

更長遠(yuǎn)地看，尋找這些極長壽命天然核素的放射性，是在為宇宙的遙遠(yuǎn)未來打造一個可靠且持久的“核時鐘”。回到科幻設(shè)定中的問題：宇航員冬眠1030年，該如何確認(rèn)時間？現(xiàn)在我們就可以回答這個問題：如果飛船上攜帶一塊壽命1030年的天然同位素材料，醒來后這種核素將剩余三分之一左右。所以，只要測量一下還剩多少原子核，就能知道時間過去了多久。

然而，即便是目前確認(rèn)的最長壽命核衰變——氙-124雙中微子雙電子俘獲，其壽命也不過1022年量級。也就是說，即使宇航員所帶的氙-124重達(dá)一噸，在經(jīng)過約1024年后，這些氙-124原子核也會衰變殆盡，失去計時功能。這也正是人類尋找更長壽命天然放射性核的意義所在：壽命越長，這只核時鐘所能覆蓋的時間就越久，從而為極遙遠(yuǎn)未來提供時間參照。

天然同位素作為自然界遺留下來的久遠(yuǎn)物質(zhì)，既是校準(zhǔn)衰變定律的參數(shù)標(biāo)尺，也可成為丈量未來宇宙的時間標(biāo)尺。它們就像一座古老的寶藏，等待著人們繼續(xù)探訪。

來源：中國科學(xué)院近代物理研究所

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