近期，由多个国际研究团队组成的合作组利用德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI/FAIR)的储存环，首次成功测量了全剥离的铊-205离子的束缚态β衰变寿命。这一测量对于理解渐近巨星分支(AGB)恒星中放射性铅-205的产生机制及确定太阳形成时间具有重要意义。该研究成果发表在《自然》杂志上，中国科学院近代物理研究所储存环核物理室在该研究中做出了重要贡献。

科学家通过分析太阳形成初期产生的长寿命放射性核素的衰变产物，推断太阳从其前身分子云团到最终成型，可能经历了几千万年的时间。这些放射性核素主要通过慢中子俘获过程产生，而这一过程发生在太阳系附近的AGB恒星中。尽管自太阳诞生以来的46亿年间，这些核素已经全部衰变，但它们的衰变产物仍然在陨石中留下了可以被检测到的微量过剩丰度。铅-205的半衰期为一千七百万年，是唯一一种仅由慢中子俘获过程产生的放射性核素，其丰度为研究太阳形成提供了独特的科学依据。

在AGB恒星环境中，铅-205的最终丰度由铅-205与铊-205之间的衰变率决定。几亿开尔文的温度足以使铊-205原子完全电离,并通过一种极为罕见的衰变模式(束缚态β衰变)形成铅-205。此外，铅-205的第一激发态仅比基态高出2.3千电子伏特，在高温环境中，铅-205有很大的概率处于激发态上。反过来，处于激发态的中性铅-205也能更快地通过轨道电子俘获衰变成铊-205。在恒星环境中，两个方向的衰变都可能发生，决定性因素是恒星的温度、电子密度以及核跃迁强度。而核跃迁强度正是铅-205与铊-205之间衰变率理论计算中最大的未知数。

在本研究中，科学家首次通过实验测量得到205Tl81+的束缚态β衰变半衰期约为291天，是理论预期值的4.7倍。基于该测量结果，研究团队推导出核跃迁强度，并进一步准确计算出铅-205与铊-205“衰变对”在AGB恒星条件下的衰变率。

该实验从上世纪80年代提出设想，凝聚了数十年的技术积累和几代科学家的努力。这一测量首先要产生全剥离的205Tl81+离子，并将其保持在全剥离状态数小时以上。在全球范围内，目前只有GSI/FAIR重离子实验储存环(ESR)与碎片分离器(FRS)结合的设施能够实现这一目标。为了满足实验需求，团队研发了多项关键技术，包括通过核反应生成全剥离的铊-205，在碎片分离器中进行目标离子的纯化和分离，以及在储存环内对离子进行积累、冷却、储存和测量等技术。

研究团队将实验结果结合天体物理模型，成功推导出了铅-205在AGB恒星中慢中子俘获过程的产生量，并通过与陨石中监测到的铅-205的丰度相比较发现：从母分子云形成太阳的时间为1千万到2千万年。该结果与慢中子俘获过程产生的其他放射性核素推导出来的结果一致。

该工作由来自12个国家、37个机构的科学家组成的国际研究团队共同完成。中国科学院近代物理研究所储存环核物理室作为主要贡献团队在实验开展等方面发挥了重要作用。

图：铊-205和铅-205在天体环境中元素合成过程的路径及相关能级信息。左图表示与铊-205和铅-205相关的慢中子俘获过程路径(蓝色箭头)以及其它核衰变路径。右图显示了铊-205和铅-205在不同电离状态下的能级关系。