耗资7.3亿美元、于今年早些时候正式启用的稀有同位素束流装置（FRIB），日前带来了它的第一项实验结果。
来自10所大学和国家实验室的50多位研究人员参与了这项实验。科学家利用这台独一无二的设备，更进一步探索原子核，也就是原子中心的质子和中子的集合。团队合成了5种富含中子的同位素，并首次测量了它们的半衰期。这些核都非常接近中子滴线。论文已于近日发表在《物理评论快报》。
奇异原子核
我们都知道，同位素是一种元素的不同变体。同一种元素的不同同位素拥有相同数量的质子，但包含不同数量的中子。
但是，对每种元素的同位素来说，可以存在的中子数量其实是有限的，也就是说，我们无法无限制地添加中子，中子数会在一定时候达到“饱和”。
如果我们把质子数作为纵轴，中子数作为横轴，将已知的核素排列在一张图中时，就可以根据中子的这种极限画出一条下边界线，这条线被称为中子滴线，是一种对原子核稳定性边界的描述。顾名思义，在靠近这条线时，中子无法再与原子核结合，就会从核中“滴”出来，就像厨房里吸饱水的海绵一样。
中子滴线（粉色）。（图／APS, Joan Tycko）
滴线附近的同位素都基本都极不稳定，并且寿命非常短，使得它们非常难以研究。因此，能绘制出滴线的位置的元素其实也相当有限。
在这项研究中，研究人员考察了几种元素的富中子同位素。他们将一束稳定的钙-48原子核以大约60%的光速砸向一个铍靶。钙碎裂了，产生了一系列同位素，这些同位素被分离出来并逐一识别，再被送到一台灵敏的检测器中测量它们衰变的时间。这便是首次报告的对磷、硅、铝和镁的5种滴线附近的奇异同位素的半衰期测量。
用于测量同位素衰变的FRIB衰变站引发装置（FDSi）。（图／FRIB）
半衰期测量是科学家能够观察到的关于这些短寿命粒子的第一个方面。这些处于极限状态的原子的基本信息为原子世界的不同模型提供了一种有用的测试。
他们将这些结果与理论预测进行了比较。在大多数情况下，两者是一致的，但团队认为镁-38的半衰期比预期的要短一些，这很耐人寻味，因为这意味着我们可能需要对当前的核壳模型略微进行调整。
实验推动更完备的理论
几乎就在同时，日本放射性同位素束工厂（RIBF）的研究人员还发现了一种全新的钠的同位素钠-39，它可能是目前已知的滴线位置最重的元素。
FRIB团队计划明年再次重复半衰期实验，利用额外的束流强度，增加产生的同位素数量，包括中子滴线附近的稀有同位素。在此期间，团队还将利用装置的许多束流线和仪器继续探索。
进一步了解这些物质的基本构件，让科学家能够完善最佳模型，并在医学、国家安全和工业中得到应用。更完备的理论同样有助于推动天体物理学和核物理学等领域的研究，例如，了解元素如何在爆发的恒星中形成，或者具体的过程如何在核反应堆中展开。
参考来源：
https://newscenter.lbl.gov/2022/11/14/frib-experiment-pushes-elements-to-the-limit/
https://physicsworld.com/a/five-new-exotic-nuclei-revealed-in-first-experiment-at-frib/
https://physics.aps.org/articles/v15/177
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