研究人员绘制了氟（F）和氖（Ne）最重同位素的边界（绿线）。在此之前，中子核滴线只因周期表的前八个元素（粉红线）所熟知。 （图片来源：APS/Joan Tycko）
探索自然的极限一直都是物理研究的主要目标。对于稀有的同位素，这种探索是追寻形成一个受约束的原子核系统的质子与中子组合。对于一个有着一定数量的质子的原子核，有个极限是关于它究竟能加入多少数量的中子而稳定存在。这个极限被称为中子核滴线，它代表着特定元素受约束和不受约束的同位素的边界。现在，研究人员在20年来首次拓展了位于比氧原子重的两种元素的中子核滴线。来自日本理化学研究所的Deuk Soon Ahn和他的同事确认了氟和氖可拥有的最大中子个数，为理论计算设置了新的限制条件。
此前，中子核滴线只对118个已知元素中最轻的进行了测定。绘制中子核滴线将允许科学家进一步理解原子核存在的极限。但这类实验所做的工作远比绘制核素图表的边界要多；它很有可能挑战我们所熟知的决定着这些具有独特结构的原子核的自然界4大基本力。比如，对于中子（N）来说，实验表明了16是一个神奇的数字，意思是带有16个中子的富中子的核素都异常稳定。研究人员将这个观察结果与位于碳、氮和氧元素的核滴线联系起来；这些元素的最重的受约束的同位素都有16个中子。但还需要进一步实验来更加充分的了解中子数为16的“神奇”之处与其核滴线的联系。
这些实验同时也将帮助解决氧的最重同位素拥有较少中子数的原因。氟能结合至少22个中子（31F），但其元素周期表前一位的氧的同位素中却没有中子数大于16的（24O）。绝大多数的理论模型无法再现这种观测中发现的被称为“氧核素异常”的特性，而模型预测26O或是28O才是该元素的极限。关于氧核素异常的解释很多，拓宽了我们对于原子核中力的认识。例如，因为中子对之间的吸引力不足以解释氧核素的异常，所以一些理论学家假定这种现象出现是由于三个中子相互作用导致斥力的增大的缘故。但在另一方面，其他研究人员认为氟同位素增加的稳定性是由于"反转岛"（island of inversion）的出现——这是核素图上的一个不适用传统核壳模型的区域。尽管有了这些想法，但对于这些特别的富中子的同位素，我们仍然缺乏一个完整的物理模型，所以这两个元素核滴线位置的确定将是关键的新发现，为接下来理论模型的建立提供了新的线索。
在新的一项测量中，Ahn和她的同事向一个氦靶发射了48Ca高能束。当高能束集中目标时，钙核在原子核反应中变成了碎片，这被称为破裂。然后，研究小组使用一种强大的“过滤器”——碎片分离器BigRIPS来寻找奇异同位素，这种过滤器可以丢弃不需要的物质，并根据原子的质量和电荷分离出令人感兴趣的同位素。由于研究人员已经绘制到元素氧的核滴线图，研究人员也专门寻找了周期表之后的氟、氖和钠的同位素，其最重的已知同位素是31F、34Ne和37Na。核滴线在核素表中沿着一条不规则的路径行进，有时将一个不存在同位素排除在外，但包括其较重的相邻同位素（如图）。因此，Ahn和她的同事们试图通过寻找每种元素的后两种同位素以确定边界——32,33F， 35,36Ne和38,39Na。
虽然研究团队并没有观察到能证明32,33F，35,36Ne和38Na的结果，但考虑到测量的灵敏性，如果这些同位素结合的话，那么她们应该在第五个原子核（38Na）和第1100个原子核（32F）之间检测到。未能发现它们让研究人员对这些可能不存在的同位素提出了敏感的置信区间：它们的结合几率是一百分之一的38Na或小于一百亿分之一的氟同位素。通过这些测验，他们确定氟的中子滴线是31F，有22个中子；而氖的最重同位素是34Ne，有24个中子。然而，研究人员确实观察到能证明39Na的一个事件，这表明这种同位素很可能是结合在一起的，并且证明了钠的核滴线在这一点以外的某个地方。
Ahn和她同事的新测量结果对最新的理论计算提出了重大挑战，目前的理论计算只再现了其中一个元素的观测结果。具体地说，虽然一些模型预测氟和氖的核滴线的中子数应为24，但Ahn和他的同事发现氟的中子滴线为22。因此，我们需要对这些模型进行修正，以适应实验结果，这一行动可以揭示原子核的基本性质，例如核子在极富中子的条件下如何相互作用。
Ahn和她的同事们令人兴奋的新成果标志着稀有同位素科学向前迈出了重要的一步，尽管这项工作花了20年的时间。探索更重元素的核滴线是这个领域的一个主要目标，并且我们很可能不必需要那么久时间等待下一项发现。在RIKEN继续进行核滴线的研究的同时，世界各地的下一代稀有同位素设施也将计划进行新的测量，比如美国的稀有同位素束流装置（FRIB）。FRIB预计将在大约两年内完成，它的粒子束的强度将明显高于RIKEN，因此在未来五年左右的时间里，它可以达到镁元素（元素周期表的第12个元素）的核滴线。结合现代理论模型，这些新的测量为我们更好地理解原子核的极限状态铺平了道路。
这项研究发表在《物理评论快报》上。
作者：Artemis Spyrou，为密歇根州立大学（MSU）教授。她于2007年在雅典国立科技大学获得Ph.D.学位，此后一直在MSU工作。她曾作为教育与拓展副主任在稀有同位素束流设施工作过4年。她的研究集中于对理解天体物理过程重要的核物理实验。
翻译：王麟涛
审校：罗广桢
引进来源：美国物理学会（APS）
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