有关稀土元素钷的新发现将改写化学教科书

有关稀土元素钷的新发现将改写化学教科书概念图展示了小瓶中的稀土元素钷，周围环绕着有机配体。ORNL科学家发现了钷的隐藏特征，为研究其他镧系元素开辟了道路。图片来源：JacquelynDeMink，艺术；ThomasDyke，摄影；ORNL，美国能源部钷于1945年在克林顿实验室（即现在的美国能源部橡树岭国家实验室）被发现，并一直在橡树岭国家实验室进行微量生产。尽管稀土元素被用于医学研究和长寿命核电池，但它的一些特性仍然难以捉摸。它以神话中的泰坦命名，泰坦将火传递给人类，其名字象征着人类的奋斗。美国国家实验室的突破性研究共同领导这项研究的ORNL科学家亚历克斯-伊万诺夫（AlexIvanov）说："整个想法就是探索这种非常罕见的元素，以获得新的知识。意识到这是在这个国家实验室和我们工作的地方发现的，我们就觉得有义务进行这项研究，以维护ORNL的传统"。由ORNL领导的科学家团队制备了一种钷的化学复合物，从而首次在溶液中描述了钷的特性。因此，他们通过一系列细致的实验揭开了这种原子序数为61的极其罕见镧系元素的秘密。这项具有里程碑意义的研究于5月22日发表在《自然》杂志上，标志着稀土研究取得了重大进展，并有可能改写化学教科书。左起：亚历克斯-伊万诺夫（AlexIvanov）、桑塔-扬松-波波娃（SantaJansone-Popova）和伊尔亚-波波夫斯（IljaPopovs），均来自美国国家实验室。图片来源：CarlosJones/ORNL，美国能源部镧系元素的特性共同领导这项研究的ORNL的IljaPopovs说："由于没有稳定的同位素，钷是最后发现的镧系元素，也是最难研究的镧系元素。大多数稀土元素都是镧系元素，即元素周期表上从57（镧）到71（镥）的元素。它们具有相似的化学性质，但大小不同。"人们对其他14种镧系元素都很了解。它们是具有有用特性的金属，在许多现代技术中不可或缺。它们是激光器、风力涡轮机和电动汽车中的永久磁铁、X射线屏幕甚至抗癌药物等应用的主力军。"数以千计的关于镧系元素化学的出版物中都没有钷。这对所有科学来说都是一个明显的空白，"ORNL的SantaJansone-Popova说，她是这项研究的共同负责人。"科学家们不得不假设钷的大部分特性。现在我们可以实际测量其中的一些特性了。"左起：RichardMayes、FrankieWhite、AprilMiller、MattSilveira和ThomasDyke。图片来源：CarlosJones/ORNL，美国能源部独特的研究能力这项研究依赖于能源部国家实验室的独特资源和专业知识。作者利用研究反应堆、热电池和超级计算机，以及18位科学家在不同领域积累的知识和技能，详细描述了对溶液中钷复合物的首次观测。ORNL的科学家将放射性钷与称为二甘醇酰胺配体的特殊有机分子结合或螯合。然后，他们利用X射线光谱测定了络合物的性质，包括钷与邻近原子的化学键长度--这是科学界的创举，也是元素周期表中长期缺失的部分。钷非常稀有，在任何时候，地壳中自然存在的钷只有一磅左右。与其他稀土元素不同，由于钷没有稳定的同位素，因此只能获得微量的合成钷。在这项研究中，ORNL小组生产了半衰期为2.62年的同位素钷-147，其数量和纯度足以研究其化学特性。ORNL是美国唯一的钷-147生产商。站在ORNL放射化学工程开发中心前的钷研究小组成员，从左至右依次为：SantanuRoy、ThomasDyke、IljaPopovs、RichardMayes、DarrenDriscoll、FrankieWhite、AlexIvanov、AprilMiller、SubhamayPramanik、SantaJansone-Popova、SandraDavern、MattSilveira、ShelleyVanCleve和JeffreyEinkauf。资料来源：CarlosJones/ORNL,美国能源部值得注意的是，研究小组首次展示了整个镧系元素在溶液中的镧系收缩特征，包括原子序数为61的钷。镧系元素收缩是指原子序数在57到71之间的元素比预期的要小。随着这些镧系元素原子序数的增加，其离子半径也随之减小。这种收缩产生了独特的化学和电子特性，因为相同的电荷被限制在一个不断缩小的空间内。ORNL的科学家们得到了一个清晰的钷信号，这使他们能够更好地确定整个系列的趋势形状。伊万诺夫说："从科学的角度来看，这确实令人震惊。当我们获得所有数据后，我感到非常震惊。这种化学键的收缩在原子序列中是加速的，但在钷之后，这种收缩就大大减慢了。这是了解这些元素的化学键特性及其在元素周期表中的结构变化的一个重要里程碑。"其中许多元素，如镧系元素和锕系元素的应用范围很广，从癌症诊断和治疗到可再生能源技术和用于深空探测的长寿命核电池。对技术和科学的影响扬松-波波娃表示，这一成果将减轻分离这些宝贵元素的工作难度。长期以来，研究小组一直致力于全系列镧系元素的分离，"但钷是最后一块拼图。这相当具有挑战性，"她说。"现代先进技术无法将所有这些镧系元素作为混合物使用，因为首先需要将它们分离。这就是收缩变得非常重要的地方；它基本上使我们能够分离它们，而这仍然是一项相当困难的任务。"研究小组在该项目中使用了能源部的多个主要设施。在ORNL，钷在高通量同位素反应堆（能源部科学办公室的用户设施）合成，并在放射化学工程开发中心（多用途放射化学处理和研究设施）纯化。然后，研究小组在位于能源部布鲁克海文国家实验室的能源部科学办公室用户设施--国家同步辐射光源II进行了X射线吸收光谱分析，特别是在由美国国家标准与技术研究院资助和运营的材料测量光束线工作。研究小组还在橡树岭领先计算设施（OakRidgeLeadershipComputingFacility）进行了量子化学计算和分子动力学模拟，该设施是能源部科学办公室在ORNL的用户设施，使用的是实验室的Summit超级计算机，这是当时唯一能够提供必要计算的计算资源。此外，研究人员还使用了ORNL科学计算和数据环境的资源。他们预计未来的计算将在ORNL的Frontier超级计算机上进行，这是世界上最强大的超级计算机，也是第一个超大规模系统，每秒能进行超过五万亿次计算。波波夫斯强调说，ORNL领导取得的成就归功于团队合作。他说，《自然》杂志论文的18位作者中的每一位都对项目至关重要。科学家们说，这项成果为研究的新时代奠定了基础。波波夫斯说："任何我们称之为现代技术奇迹的东西，都会或多或少地包含这些稀土元素。我们正在添加缺失的环节。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432197.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432197.htm

环状质子提供新的洞察力 揭开早期宇宙的神秘面纱

环状质子提供新的洞察力揭开早期宇宙的神秘面纱最近在美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验深入研究了质子和中子共振的三维结构。这项研究为宇宙大爆炸后混沌初开的宇宙图景提供了又一块拼图。研究核子的基本特性和行为为我们了解物质的基本组成单元提供了重要线索。核子是构成原子核的质子和中子。每个核子由三个夸克组成，在强相互作用--自然界中最强的力--的作用下被胶子紧紧地结合在一起。核子最稳定、能量最低的状态称为基态。但是，当核子被强行激发到高能状态时，它的夸克会相互旋转和振动，表现出所谓的核子共振。来自德国吉森JustusLiebig大学（JLU）和康涅狄格大学的一组物理学家领导了CLAS合作项目，开展了一项探索这些核子共振的实验。实验在杰斐逊实验室世界一流的连续电子束加速器设备（CEBAF）上进行。CEBAF是能源部科学办公室的用户设施，为全球1800多名核物理学家的研究提供支持。研究成果最近发表在著名的同行评审期刊《物理评论快报》上。分析小组负责人斯特凡-迪尔（StefanDiehl）说，该小组的工作揭示了核子共振的基本特性。Diehl是吉森联合大学第二物理研究所的博士后研究员和项目负责人，同时也是康涅狄格大学的研究教授。这项工作还激发了对共振质子三维结构和激发过程的新研究。Diehl说："这是我们第一次进行对这种激发态的三维特征敏感的测量和观测。从原理上讲，这仅仅是个开始，这种测量正在开辟一个新的研究领域。"该实验于2018-2019年在实验大厅B进行，使用的是杰斐逊实验室的CLAS12探测器。一束高能电子束被送入冷却氢气室。电子撞击目标的质子，激发其中的夸克，并结合夸克-反夸克态（即所谓的介子）产生核子共振。这种激发稍纵即逝，但它们会以新粒子的形式留下存在的证据，这些新粒子是由受激粒子的能量裂变而成的。这些新粒子的寿命足以让探测器捕捉到它们，因此研究小组可以重建共振。Diehl等人最近在意大利特伦托举行的"用过渡GPD探索共振结构"联合研讨会上讨论了他们的研究成果。这项研究已经激励两个理论小组发表了相关论文。研究小组还计划在杰斐逊实验室利用不同的目标和极化进行更多的实验。通过极化质子的电子散射，他们可以获得散射过程的不同特征。此外，对类似过程的研究，如结合高能光子产生共振，也能提供更多重要信息。Diehl说，通过这些实验，物理学家可以弄清宇宙大爆炸后早期宇宙的特性："一开始，早期宇宙只有一些由夸克和胶子组成的等离子体，由于能量太高，这些等离子体都在旋转。然后，在某个时刻，物质开始形成，最先形成的是激发核子态。当宇宙进一步膨胀时，它冷却下来，基态核子显现出来。""通过这些研究，我们可以了解这些共振的特征。这将告诉我们宇宙中物质是如何形成的，以及为什么宇宙以现在的形式存在。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390077.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390077.htm

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一由明尼苏达大学双城分校理论物理学家领导的一个团队发现了一种寻找轴子的新方法，轴子是可以帮助解决这个谜团的假想粒子。与费米拉布国家加速器实验室的实验研究人员合作，物理学家们的新策略为在粒子对撞机实验中检测轴子开辟了以前未曾探索过的机会。研究人员的论文在美国物理学会出版的同行评审科学杂志《物理评论快报》上发表并作为编辑的建议。明尼苏达大学的研究人员寻找假设的轴子的新方法包括测量粒子"衰变"为两个μ子，这些粒子基本上是电子的较重版本--如上图所示。资料来源：明尼苏达大学的雷蒙德-科"作为粒子物理学家，我们正在努力发展我们对自然的最佳理解，"该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院助理教授刘震说。"在过去的一个世纪里，科学家们通过既定的理论框架在寻找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子为什么不与电场耦合是极其令人费解的，因为在我们已知的理论中，我们期望它们会这样。如果我们真的发现了轴子，这将是我们对自然界结构的基本理解的一个巨大进步。"研究亚原子粒子和可能发现新粒子的主要手段之一是对撞机实验。从本质上讲，科学家们强迫粒子束进行碰撞--当它们相互撞击时，它们产生的能量会产生其他粒子，并通过一个探测器，使研究人员能够分析它们的特性。刘和他的团队提出的方法涉及测量"衰变"产物--或者当一个不稳定的重粒子转化为两个μ介子（已知的粒子，基本上是电子的较重版本）的多个较轻粒子时会发生什么。通过从探测器中的μ子轨道向后重建这种衰变，研究人员相信他们有机会找到轴子并证明其存在。该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院和威廉-费恩理论物理研究所的博士后研究员RaymondCo说："通过这项研究，我们正在扩大我们可以搜索轴子粒子的方法。人们以前从未将轴子衰变为μ子作为在中微子或对撞机实验中搜索轴子粒子的一种方式。这项研究开辟了新的可能性，为我们领域的未来努力铺平道路。"刘和Co，以及明尼苏达大学物理学和天文学博士后研究员Kun-FengLyu和加州大学伯克利分校博士后研究员SoubhikKumar是这项研究的理论部分的支持者。他们是ArgoNeuT合作的一部分，该合作汇集了来自全国各地的理论家和实验家，通过费米实验室的实验研究粒子。在这篇论文中，明尼苏达大学领导的理论团队与实验研究人员合作，利用他们的新方法和ArgoNeuT实验的现有数据进行轴子的搜索。研究人员计划在未来使用实验结果来进一步完善他们对轴子产生率的理论计算。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366105.htm

质子对撞中首次观察到光子变陶子

质子对撞中首次观察到光子变陶子据欧洲核子研究中心官网25日报道，该机构大型强子对撞机上的紧凑缪子线圈（CMS）国际合作组宣布，他们利用CMS轨迹探测器出色的追踪能力，首次在质子非接触对撞中，观察到两个光子相互作用产生两个陶子，然后分别衰变为缪子（μ）、电子或带电π介子和中微子的特殊过程过程。研究有助揭示陶子的产生过程及其重要物理性质，从而验证标准模型预测，并为探索新物理现象提供了新途径。

《Nature》报道北大物理新成果：首次观测到三玻色子联合产生

《Nature》报道北大物理新成果：首次观测到三玻色子联合产生相关成果发表于《物理评论快报》，并被选为编辑推荐论文。首次观测到三玻色子联合产生先简单了解一下，此次成果发现的主角——三种基本粒子。两种电荷相反的粒子W玻色子W+和W-，以及一种光子γ。我们知道，宇宙中有四大基本相互作用：引力作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。每种相互作用都是由某一种媒介粒子传递的，它们被称为玻色子。在标准模型里，无质量的光子（γ）传播长程的电磁相互作用。而W玻色子是一种负责传递弱相互作用的基本粒子。此前曾被发现并证明，W玻色子是参与核聚变的重要粒子。但W玻色子的质量很重，约是质子的85倍，实验中通常很难被发现。只有通过大型强子对撞机LHC这样的高能量装置才有可能“撞”出1个。而要找到像W+W-γ这种形态，更是难上加难。研究团队在LHC上使用紧凑缪子线圈（CMS）探测器筛选和分析了2016年至2018年期间数十亿次13TeV质子-质子对撞数据，以超过5倍标准偏差的统计置信度，首次观测到了双W玻色子与光子（WWγ）这一新型的三玻色子联合产生过程。研究团队进一步向《中国科学报》解释，5.6倍标准偏差是与假设不存在三玻色子过程的情况（即空假设）相比，这也意味着数据支持三玻色子过程的存在。他们进而对希格斯与轻夸克的耦合给出了一批较强的限制性结果。北大物理李强团队据北大物理学院技术物理系官网介绍，此项成果是由李强课题组在CMS国际合作组提出并领导。北京大学物理学院2017级博士研究生安莹（现为德国电子同步加速器中心DESY博士后）担当分析负责人。一直以来，精确测量多玻色子特别是三玻色子联合产生过程，是目前高能对撞机物理领域前沿热点之一，可用于探测非阿贝尔相互作用以及检验标准模型。李强团队自2010年以来，就致力于高能对撞机上的多玻色子物理研究。2022年，他们全球首次实现了三W玻色子共振态的寻找、并开发了3夸克和4夸克特征喷注的鉴别及校准技术。此项研究开拓了新物理寻找的新航线。李强向《中国科学报》表示，高能物理确实处在比较艰难的时期。在人迹罕至的地方探险，虽然有着未知和挑战，但也有着新发现的可能性。参考链接：[1]https://ppnp.pku.edu.cn/info/1020/2145.htm[2]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/3/519806.shtm...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425377.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425377.htm

有关磁星的新发现令天文学家困惑不已 也是对物理学的挑战

有关磁星的新发现令天文学家困惑不已也是对物理学的挑战美国海军研究实验室的甚大阵列（VLA）低波段电离层和瞬变实验（VLITE）望远镜在协助天文学家确认一种新的恒星现象的发现方面发挥了重要作用，这种现象挑战了目前科学界对中子星物理学的理解。该天体被认为是超长周期磁星，这是一种罕见的恒星类型，具有极强的磁场，能够产生强大的能量爆发，这一发现于7月19日发表在《自然》杂志上。"按照目前的理解，这个天体不应该发射无线电波，然而我们却在数十年间探测到了无线电波，我们不知道这是为什么。这是一个令人兴奋的谜"。-NRL研究天文学家兼VLITE项目科学家TracyClarke博士NRL的VLITE于2014年与美国国家射电天文台(NRAO)合作开发。VLITE在VLA上作为独立仪器运行，用于电离层和天体物理学研究。VLITE的18根天线每年收集超过6000小时的数据，并在NRL存档。VLITE最初用于持续监测地球电离层，以研究可能影响电离层的干扰，如地磁风暴、地震事件和重力波。通过这种持续监测，它可以作为一种工具来探测瞬态突波，即来自宇宙源的无线电波爆发，如果不进行持续观测，这些突波是难以捉摸的。了解这些现象可以帮助天文学家更好地了解宇宙。2022年9月，由澳大利亚科廷大学和国际射电天文研究中心（ICRAR）领导的一个国际天文学家小组利用默奇森宽视场阵列（MWA）发现了这个恒星天体（命名为GPMJ1839-10）。这一发现掀起了全世界了解GPMJ1839-10的热潮。NRL天文学家迅速重新处理了存储的VLITE数据，确定了该恒星天体先前隐藏的发射。有了VLITE的结果，天文学家们翻阅档案，追溯到三十多年前，即1988年。动画描述了这一发现、该天体的行为以及它可能的样子。图片来源：ICRARNRL研究天文学家SimonaGiacintucci博士说："这个神秘的天体已经在数据中隐藏了几十年--我们只是不知道我们必须寻找它，直到MWA发现了它。GPMJ1839-10每22分钟就会发出一个5分钟的射电波长发射脉冲，它这样做已经至少有33年了。"NRL研究天文学家兼VLITE项目科学家特雷西-克拉克博士说："这样的发现令人兴奋，因为它们凸显了我们对这些被称为磁星的极端恒星的物理学理解的差距。根据目前的理解，这个天体不应该发射无线电波，但我们却在数十年间探测到了无线电波，而且我们还不清楚原因何在。这是一个令人兴奋的谜。"天文学家认为，GPMJ1839-10是一种罕见的中子星，具有极其强大的磁场。克拉克说："天文学是一种奇怪的职业，我们无法到天体中去研究它们。我们感兴趣的是，到底有多少这样的天体，它们位于哪里。这是未来研究的方向。"VLITE已经超额完成了最初的任务，实现了发现类似天体的希望。NRL天文学家将继续搜索用VLITE生成的数据集，以引导未来的发现，并通过其中包含的迷人天体更好地了解宇宙。NRL的仪器和尖端研究为海军和国防部的任务提供了支持，同时继续为全球科学做出贡献。有关这一发现的更多信息，请参阅《天文学家发现神秘恒星天体，每22分钟发射一次无线电波》（AstronomersFindMysteriousStellarObjectEmittingRadioWavesEvery22Minutes）。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373831.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373831.htm