理化學(xué)研究所(理研)仁科加速器科學(xué)研究中心實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)維持管理室的久保敏幸研究委托、安得順合作研究員(研究當(dāng)時(shí)),、鈴木宏技師,、東京工業(yè)大學(xué)理學(xué)院物學(xué)系的中村隆司教授等國(guó)際共同研究小組,，使用理研的重離子加速器設(shè)施RI束工廠( RIBF ) [1]， 世界上首次生成并觀測(cè)到比穩(wěn)定鈉-23(23Na :質(zhì)子數(shù)11,、中子數(shù)12,、質(zhì)量數(shù)23 )多16個(gè)中子的超中子過(guò)剩的同位素[2]、鈉-39(39Na :質(zhì)子數(shù)11,、中子數(shù)28,、質(zhì)量數(shù)39 ) 通過(guò)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，首次查明了39Na的原子核受到束縛[3]而存在,。

本研究成果將為中子數(shù)過(guò)剩極限附近的放射性同位素( RI ) [4]的原子核結(jié)構(gòu)的闡明和理論計(jì)算做出貢獻(xiàn),，同時(shí)，也有望成為驗(yàn)證在理解宇宙中元素合成過(guò)程等方面重要的原子核質(zhì)量模型的有效性的試金石,。 它還提供了重要證據(jù),，證明中子過(guò)剩的原子核正在消失魔法數(shù)[5]28。

此次,，國(guó)際共同研究小組通過(guò)實(shí)現(xiàn)大強(qiáng)度重離子束和高效率的RI束分離生成裝置BigRIPS[6]等在RIBF方面的卓越實(shí)驗(yàn)條件,，自從鈉-37(37Na :質(zhì)子數(shù)11，中子數(shù)26,，質(zhì)量數(shù)37 )被發(fā)現(xiàn)以來(lái),，時(shí)隔20年，發(fā)現(xiàn)了比它中子過(guò)剩的39Na,，成功地更新了鈉同位素的已知存在極限,。

本研究刊登在科學(xué)雜志《Physical Review Letters》在線版( 11月14日)上。 它還被選為《編輯' suggestion》和《查看點(diǎn)》,。

背景 在元素的同位素[2] (同位素)的原子核中,，最多能附加多少中子呢？ 例如,，在氖( Ne :質(zhì)子數(shù)10 )情況下,，氖-20(20Ne :中子數(shù)10，質(zhì)量數(shù)20 ),、氖-21(21Ne :中子數(shù)11,，質(zhì)量數(shù)21 )、氖-22(22Ne :中子數(shù)12,，質(zhì)量數(shù)21 ) 在其中進(jìn)一步添加了中子的同位素氖-23(23Ne :中子數(shù)13,，質(zhì)量數(shù)23 )、氖-24(24Ne :中子數(shù)14,，質(zhì)量數(shù)24 )等，由于貝塔衰變[7],，核內(nèi)的中子隨時(shí)間轉(zhuǎn)化為質(zhì)子,，但在氖-34(34Ne :中子數(shù)24,，質(zhì)量數(shù)34 )之前，質(zhì)子和中子結(jié)合,，作為受束縛的原子核存在,。

但是，即使再加入中子制造氖-35(35Ne :中子數(shù)25,，質(zhì)量數(shù)35 ),，也不會(huì)結(jié)合，會(huì)立即放出中子而崩潰,。 在原子核的地圖(核圖表[8] )上,，這種原子核的存在極限被稱為“中子滴流線[9]”。 中子滴線位于核圖上中子過(guò)剩側(cè)的邊界線上,。 到目前為止,，中子滴流線確定的只有氖，鈉( Na :質(zhì)子數(shù)11 )以上的重元素還沒有確定(圖1 ),。

圖1表示本研究對(duì)象區(qū)域的核圖表

各個(gè)方格表示同位素,，虛線所示的方格表示在本研究中進(jìn)行探索的新同位素的鈉-39(39Na :質(zhì)子數(shù)11、中子數(shù)28,、質(zhì)量數(shù)39 ),。 框格越往縱向上側(cè)，質(zhì)子數(shù)越增加,，越往橫向右側(cè),，中子數(shù)越增加。 已知的存在極限(中子滴流線)用橙色粗線表示,。

最初的“原子核能附加多少中子”的問(wèn)題,，是原子核物理學(xué)中重要而基本的問(wèn)題，但至今尚未解決,。 中子滴流線附近的極限原子核具有類似中子暈圈[10]的特殊結(jié)構(gòu),，原子核中連接質(zhì)子和中子的力，即湯川秀樹博士發(fā)現(xiàn)的“核力”,，被認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)與天然存在的穩(wěn)定原子核性質(zhì)不同的原子核結(jié)構(gòu),。 也會(huì)發(fā)生核結(jié)構(gòu)中魔法數(shù)的消失這一有趣的現(xiàn)象。

即使采用今天的加速器和生成技術(shù),，生成中子數(shù)過(guò)剩的原子核(中子過(guò)剩核)也不容易,。 實(shí)際上，關(guān)于Na元素,，自20年前確認(rèn)存在鈉-37(37Na :中子數(shù)26,，質(zhì)量數(shù)37 )以來(lái)，沒有確認(rèn)到比其中子數(shù)多的同位素(圖1 ),。 這是因?yàn)?，元素越重,，中子滴流線附近的同位素中子數(shù)就越多，使用天然存在的穩(wěn)定同位素重離子束進(jìn)行反應(yīng)時(shí)生成率減少,，生成變得極其困難,。 為了克服這個(gè)困難，實(shí)現(xiàn)帶來(lái)高生成效率的實(shí)驗(yàn)條件是必不可少的,。

在本研究中,，使用了與以往的設(shè)施裝置相比具有卓越的生成效率的、RI束工廠( RIBF )提供的大強(qiáng)度重離子束和新一代的大口徑超導(dǎo)RI束分離生成裝置BigRIPS,，時(shí)隔20年,，挑戰(zhàn)了位于中子滴流線附近的新同位素鈉-39(39Na :中子數(shù)28，質(zhì)量數(shù)39 )的生成和發(fā)現(xiàn),。 39Na的原子核是中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多17個(gè)的超中子過(guò)剩核,。

研究方法和成果 國(guó)際共同研究小組將由RIBF的加速器提供的加速到光速約70%的大強(qiáng)度鈣-48(48Ca :質(zhì)子數(shù)20，質(zhì)量數(shù)48 )光束照射到厚度20mm的鈹( Be )靶上,，通過(guò)入射核破碎反應(yīng)[11],，生成了含有39Na的中子過(guò)剩放射性同位素[4]波束( RI波束)。 此外,，使用大口徑超導(dǎo)RI光束分離生成裝置BigRIPS,，收集分離生成的RI光束，進(jìn)行了觀測(cè)到的放射性同位素的粒子識(shí)別(鑒定) (圖2,、3 ),。 本研究通過(guò)使用大強(qiáng)度48Ca光束和BigRIPS具有的高RI光束收集識(shí)別能力，對(duì)39Na等遠(yuǎn)離穩(wěn)定線[8]的中子滴流線附近的同位素的生成,，實(shí)現(xiàn)了充分的生成效率,。

圖2 RI光束工廠( RIBF )的結(jié)構(gòu)

RIBF是提供重離子束的加速器系統(tǒng)(回旋加速器的RRC、fRC,、IRC,、SRC等)、由超導(dǎo)RI束分離生成裝置的BigRIPS構(gòu)成的RI束生成系統(tǒng),、然后由使用生成系統(tǒng)生成的RI光束進(jìn)行多角度研究利用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)構(gòu)成,。

圖3超導(dǎo)RI束分離生成裝置( BigRIPS )

BigRIPS是由6臺(tái)常導(dǎo)偏轉(zhuǎn)電磁鐵和14臺(tái)大口徑超導(dǎo)三連四極電磁鐵構(gòu)成的兩階段型飛行分離型RI波束生成裝置。 在第一級(jí)中,，對(duì)在生成目標(biāo)中生成的RI波束進(jìn)行收集分離,，在第二級(jí)中，可以進(jìn)行進(jìn)一步的分離和RI波束的高分辨率粒子識(shí)別(識(shí)別),。 這兩個(gè)階段構(gòu)成和強(qiáng)烈意識(shí)到高效率的RI波束生成的大口徑高磁場(chǎng)規(guī)格是一大特長(zhǎng),。

粒子識(shí)別是通過(guò)測(cè)定RI光束的飛行時(shí)間(速度)、磁剛性[12],、物質(zhì)通過(guò)中的能量衰減,，針對(duì)每個(gè)事件導(dǎo)出放射性同位素的質(zhì)子數(shù)( z )以及質(zhì)量數(shù)( a )和質(zhì)子數(shù)之比( A/Z )來(lái)進(jìn)行的,。 圖4是其粒子識(shí)別圖，是在本測(cè)量中觀測(cè)到的事件的二維繪圖,。 通過(guò)精密數(shù)據(jù)分析，在粒子識(shí)別中實(shí)現(xiàn)了充分的分辨率和背景現(xiàn)象的消除(無(wú)背景),。

如圖4所示,，本實(shí)驗(yàn)明確地觀測(cè)到了新同位素的39Na。 生成的39Na總數(shù)為9個(gè),，這表明了39Na的無(wú)可置疑的發(fā)現(xiàn),。 以上結(jié)果表明，39Na的原子核受到束縛,。

圖4鈉-39探索實(shí)驗(yàn)時(shí)的粒子識(shí)別圖

在明治時(shí)代觀測(cè)到了新同位素的鈉-39(39Na :質(zhì)子數(shù)11,，中子數(shù)28，質(zhì)量數(shù)39 ),。 同時(shí)觀測(cè)到的幾種已知同位素,，如鎂-40(40Mg :質(zhì)子數(shù)12、中子數(shù)28,、質(zhì)量數(shù)40 )也得到鑒定,，圖中顯示了其種類。

今后的期待 這次39Na的發(fā)現(xiàn),，可以期待對(duì)中子過(guò)剩極限特征性的原子核結(jié)構(gòu)和核力量的解釋有所貢獻(xiàn),。 39Na原子核的中子數(shù)為28，在穩(wěn)定核的區(qū)域相當(dāng)于魔法數(shù),。 根據(jù)39Na原子核受束縛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，可以解釋為在中子過(guò)剩極限，該魔法數(shù)28消失了,，結(jié)果39Na的原子核發(fā)生了變形[13],。 這是因?yàn)椋谶@個(gè)區(qū)域,，原子核變形的話,，核子會(huì)結(jié)合得更緊，原子核會(huì)更束縛,。 這種解釋也與最近最先進(jìn)的理論計(jì)算相匹配,。

另外，在由宇宙的爆發(fā)性現(xiàn)象引起的被稱為r過(guò)程[14]的元素合成過(guò)程中,，雖然存在中子過(guò)剩核,，但對(duì)于其闡明，它們的質(zhì)量預(yù)測(cè)很重要,。 此次39Na的發(fā)現(xiàn),，有望成為驗(yàn)證這些中子過(guò)剩核質(zhì)量模型有效性的重要試金石,。 此外，正確的質(zhì)量模型對(duì)確定解開中子星[15]結(jié)構(gòu)所需的中子過(guò)剩核的狀態(tài)方程式[16]也有重要作用,。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是探索中子過(guò)剩的鈉同位素,，根據(jù)鎂-42(42Mg :質(zhì)子數(shù)12、中子數(shù)30,、質(zhì)量數(shù)42 )和鋁-45(45Al :質(zhì)子數(shù)13,、中子數(shù)32、質(zhì)量數(shù)45 )等計(jì)算質(zhì)子數(shù) 理研的RIBF,，以大幅度增強(qiáng)光束強(qiáng)度為目標(biāo)的高級(jí)化計(jì)劃正在進(jìn)行中,，達(dá)成之際，可以期待面向中子過(guò)剩極限的研究進(jìn)一步發(fā)展,，核圖表邊界線的確定將繼續(xù)進(jìn)行,。 美國(guó)最近也開始運(yùn)行大型RI波束設(shè)施，德國(guó)正在建設(shè)大型RI波束設(shè)施,。 這樣,，處于極限狀態(tài)的原子核之謎、宇宙物質(zhì)的起源等就會(huì)變得更加明確,。

補(bǔ)充說(shuō)明

• 1.RI光束工廠( RIBF ) 新一代加速器設(shè)施的目的是將從氫到鈾的所有元素的放射性同位素( RI )作為世界上最大強(qiáng)度的RI射線束產(chǎn)生,，通過(guò)多角度利用它，為從基礎(chǔ)到應(yīng)用的廣泛研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn),。 RIBF是提供生成RI束所需的重離子束的由fRC,、IRC、SRC等構(gòu)成的"加速器系統(tǒng)",、由RI束分離生成裝置的BigRIPS構(gòu)成的" RI束生成系統(tǒng)",、利用在生成系統(tǒng)中生成的RI束進(jìn)行多角度研究利用的"基干實(shí)驗(yàn)" RIBF與以前的設(shè)施相比具有卓越的性能，能夠生成多種此前無(wú)法生成的RI光束,。 RI束有助于原子核的構(gòu)成機(jī)理的闡明,、元素的起源的闡明，同時(shí)也有望通過(guò)RI利用為產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn),。 美國(guó),、德國(guó)等世界主要的重離子加速器設(shè)施也在進(jìn)行中或開始運(yùn)轉(zhuǎn)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也處于激烈的狀況,。

• 2.同位素,，同位素 質(zhì)子數(shù)相同的元素中，存在多個(gè)中子數(shù)不同的元素,。 這些被稱為同位素和同位素,。 其中，長(zhǎng)期以穩(wěn)定狀態(tài)存在的稱為穩(wěn)定同位素，隨時(shí)間產(chǎn)生放射線而衰變的不穩(wěn)定的稱為放射性同位素,。

• 3.束縛 是指構(gòu)成原子核的核子(質(zhì)子和中子)處于能量束縛(結(jié)合)的狀態(tài),，對(duì)核子發(fā)射穩(wěn)定。 也稱為“原子核存在”,。 原子核為非束縛時(shí),，無(wú)法以原子核的形式存在，會(huì)立即釋放出核子而崩潰,。

• 4.放射性同位素( RI ),、中子過(guò)剩放射性同位素 構(gòu)成物質(zhì)的原子核中，由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,，有隨著時(shí)間的推移一邊釋放放射線一邊衰變(貝塔衰變)的物質(zhì)。 這種原子核稱為放射性同位素,。 放射性同位素,、不穩(wěn)定同位素、不穩(wěn)定原子核,、不穩(wěn)定核,、無(wú)線電同位素是同義詞。 在同一元素中,，存在許多中子數(shù)量不同的放射性同位素,。 其中，中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)的稱為中子過(guò)剩放射性同位素,。 RI是Radioactive Isotope,、Rare Isotope、Radioisotope的縮寫,。

• 5.魔法數(shù) 原子核特別穩(wěn)定的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù),。 接近穩(wěn)定線區(qū)域的原子核已知的魔法數(shù)為2、8,、20,、28、50,、82,、126。

• 6.BigRIPS RIBF中使用的超導(dǎo)RI波束分離生成裝置,。 收集,、分離、識(shí)別通過(guò)用重離子束照射生成目標(biāo)而生成的各種放射性同位素( RI ),，并作為放射性同位素束( RI束)提供,。 使用大口徑高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁鐵，是由第1、第2兩個(gè)階段的階段構(gòu)成的飛行分離型RI波束生成裝置,。 具有高效率的RI波束生成,、高分辨率的粒子識(shí)別等卓越的性能，可以生成迄今為止無(wú)法生成的多個(gè)RI波束,。

• 7.貝塔衰變 是指由于微弱的相互作用,，原子核內(nèi)的中子衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子(或質(zhì)子衰變?yōu)橹凶雍驼娮?，原子核緩慢轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的過(guò)程,。

• 8.核圖表,、穩(wěn)定線 核圖表以質(zhì)子數(shù)為縱軸，以中子數(shù)為橫軸,，是表示原子核核素(同位素種類)的配置圖,。 原子核的地圖。 參照下圖,。 黑色方格表示穩(wěn)定同位素(穩(wěn)定核),，連接這些區(qū)域的右上斜方向延伸的線被稱為穩(wěn)定線。 穩(wěn)定線右側(cè)的放射性同位素原子核稱為中子過(guò)剩核,，左側(cè)的稱為質(zhì)子過(guò)剩核,。

  

• 9.中子滴流線 當(dāng)質(zhì)子數(shù)向相同元素增加中子時(shí)，束縛能逐漸減少,，最終成為非束縛狀態(tài),，無(wú)法以原子核的形式存在。 這種存在極限稱為中子滴流線,，在同一元素中,，與中子數(shù)最多的放射性同位素(原子核)相對(duì)應(yīng)。 例如,，在氖元素的情況下,，氖-34(34Ne :質(zhì)子數(shù)10、中子數(shù)24,、質(zhì)量數(shù)34 )為中子滴流線,。 如果進(jìn)一步增加中子數(shù)，束縛能就會(huì)降到零,，不存在中子數(shù)多于2.4的氖的同位素,。

• 10.中子暈圈 在通常穩(wěn)定的原子核中，質(zhì)子和中子均勻混合分布,，質(zhì)子所占體積和中子所占體積被認(rèn)為大致相等,。 但是，在滴流線附近的中子過(guò)剩不穩(wěn)定核中,，存在著分為通常的該核的部分和向遠(yuǎn)方擴(kuò)展的過(guò)剩中子的部分的分布結(jié)構(gòu),。 這種過(guò)剩的中子以異常大的半徑在核周圍薄薄地?cái)U(kuò)散的狀態(tài)稱為中子暈。

• 11.入射核破碎反應(yīng) 指高速加速的入射原子核(重離子束)與目標(biāo)原子核碰撞時(shí)，多個(gè)碎片保持速度向前(零度方向)釋放的原子核反應(yīng),。 這個(gè)碎片包含從質(zhì)子過(guò)剩側(cè)到中子過(guò)剩側(cè)的廣大區(qū)域的各種放射性同位素,。

• 12.磁剛性 表示帶電荷的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)難以彎曲的量。 與粒子的動(dòng)量(質(zhì)量數(shù)和速度的乘積)成正比,，與電荷數(shù)成反比,。 磁剛性大的粒子在大的軌道半徑，小的在小的軌道半徑彎曲,。

• 13.原子核變形 原子核在核子數(shù)接近魔法數(shù)的區(qū)域?yàn)榍蛐?，但在遠(yuǎn)離原子核的區(qū)域，由于自發(fā)對(duì)稱性的破壞,，有時(shí)會(huì)變形為旋轉(zhuǎn)橢圓體等形狀,。 這種現(xiàn)象稱為核變形，變形的原子核稱為變形核,。

• 14.r過(guò)程 被認(rèn)為是中子星合并等宇宙爆炸性現(xiàn)象時(shí)發(fā)生的元素合成過(guò)程的模型,。 比鐵重的元素(重元素)幾乎一半被認(rèn)為是在r過(guò)程( rapid process )中生成的。

• 15.中子星 超高密度的天體,，密密麻麻地塞滿了原子核的組成粒子——中子。 大質(zhì)量恒星結(jié)束一生時(shí),，超新星爆炸壓縮其中心部分而形成,。

• 16.中子星 超高密度的天體，密密麻麻地塞滿了原子核的組成粒子——中子,。 大質(zhì)量恒星結(jié)束一生時(shí),，超新星爆炸壓縮其中心部分而形成。