已知最缺中子的镤同位素成功合成

近日，中国科学院近代物理研究所超重核研究团队与合作者利用中国超重元素研究加速器装置（CAFE2），首次合成了新核素镤-210，该核素是目前已知的最缺中子的镤同位素。这一成果不仅填补了核素图谱上的重要空白，更为人类探索原子核的存在极限、揭示新物理现象提供了宝贵的数据参考数据。相关研究成果于5月29日发表在《自然-通讯》上。

中国超重元素研究加速器装置（CAFE2）示意图。近代物理研究所供图

科学突破：揭开极端缺中子核素的神秘面纱

镤-210，这个听起来有些陌生的名字，实际上是目前已知最缺中子的镤同位素。它位于核素图上双幻核铅-208的左上角，中子数仅为119，比中子幻数（N=126）少了7个中子。

“中子幻数”就是那些特定的中子数量（2,8,20,28,50,82,126...），当原子核拥有这么多中子时，恰好能把某一个或几个中子的轨道完全、完美地填满，一个空位都不剩！这一位置使得镤-210成为了研究极端缺中子核素特性的优选对象。

“镤-210的合成，就像是在茫茫大海中捞出了一颗极难捕捉的珍珠。”近代物理所副研究员张明明形象地比喻道。他进一步解释说，在极端缺中子的锕系核区，新核素的产生截面极低，大约需要亿亿次的碰撞才能产生一个目标核素；同时，这些核素的寿命极短，往往只有毫秒甚至微秒量级，这对实验合成和探测技术提出了极高的要求。

在核素图上，随着原子核越来越远离稳定线，其最后一个质子的结合能逐渐减小，最终可能变为负值。这条线被称为质子滴线，超过这条线时，原子核会因质子过多而变得极不稳定，容易自发发射质子。镤-210的质子分离能被确定为负值，因此它位于质子滴线以外，被归类为质子滴线外新核素。

“尽管我们在实验中只观测到了镤-210的α衰变，没有直接观测到质子放射性，但这并不妨碍我们对质子滴线附近核结构的系统性认知。”张明明表示，这可能是由于库仑位垒和离心位垒的阻挡作用，使得质子放射的竞争不过α衰变。然而，这一发现仍然为科学家们提供了宝贵的数据，有助于他们更深入地理解质子滴线附近的核结构特性。

在原子核物理中，自旋宇称是描述原子核内部结构的重要参数之一。所谓自旋宇称就是把“自旋”和“宇称”这两个特性结合起来描述一个粒子或原子核的状态。它就像给原子核贴上了一个“标签”，告诉科学家这个原子核是怎么“旋转”的，以及它的“对称性”是怎样的。

镤-210的α衰变性质验证了壳模型对远离幻数原子核计算的有效性，特别是其自旋宇称的确定，为核壳层理论带来了突破性意义。

“壳模型是描述原子核内部结构的量子力学模型，它成功解释了原子核的稳定性、幻数等性质。然而，对于远离幻数的原子核，特别是超重核区的原子核，壳模型的计算存在一定困难。”张明明解释说，“核理论预言，在下一个质子和中子幻数的附近可能还存在一批寿命比较长的原子核，它们就像一座岛屿一样处于核素图上最重的原子核区域，被称作“超重核稳定岛”。

虽然各种理论都预言这种“稳定岛”是必然存在的，但“稳定岛”的具体位置尚存在分歧。大多数核理论认为下一个中子幻数是184，但新的质子幻数可能是114或者126，但也有理论家认为Z=120可能是下一个质子幻数。这些不确定性的存在来源于对超重原子核结构性质认知的不确定性，因为实验上产生这些超重原子核还存在很大挑战。因此，在目前已知最重的中子幻数N=126附近，研究原子核的壳层结构，有助于理解超重核区原子核的结构性质，并检验核理论预言的准确性。”

实验挑战：跨越技术壁垒的壮举

在极端缺中子的锕系核区合成新核素，面临着两大技术挑战：极低的产生截面和超短的寿命。为了克服这些难题，近代物理所的科研团队付出了巨大的努力。

“为了产生目标新核素，并将其在大量的本底粒子中分离出来，我们建设了用于超重元素研究的专用加速器装置和充气反冲核分离器。”近代物理所研究员马龙介绍说，“这些设备能够高效分离传输目标核素，并具有良好的本底抑制能力。同时，我们在谱仪的焦平面研发了一套具有单原子探测能力的探测器阵列和数字化电子学获取系统，实现了对短至微秒量级α衰变的探测。”

充气反冲核谱仪在此次实验中发挥了至关重要的作用。“充气反冲核谱仪的高效分离能力和高灵敏度探测系统，使得我们能够在极低的反应截面条件下，成功观测到镤-210的衰变事件。”马龙研究员表示，“这不仅验证了超重元素研究专用加速器装置和充气反冲核谱仪的性能，也为未来新元素的合成实验奠定了坚实基础。”

在实验设计中，选择合适的反应路径至关重要。近代物理所的科研团队经过多次尝试和优化，最终选择了钙-40束流轰击镥-175靶的熔合蒸发反应路径来合成镤-210。

“这一反应路径的选择，是基于多方面的考虑。”张明明解释说，“首先，钙-40束流轰击镥-175靶相比其他反应体系，目标镤新核素的产生截面相对较大；其次，超重元素研究专用加速器提供的钙-40束流流强较高，可达数个皮微安培（pμA）。最后，镥-175靶为天然镥靶，材料易获得且熔点较高，便于实验操作。”

实验历程：从挫折到胜利的坚持

在合成镤-210的实验历程中，科研团队经历了多次尝试未果的挫折。早在2014年，他们就启动了钙-40束流轰击镥-175靶体系的首轮实验，试图通过4n反应道合成新核素211Pa。然而，结果并未如预期般顺利。

所谓“4n反应”，就是假设你把两个小气球绑在一起，它们会变成一个更大的气球。但这个大气球因为绑得太紧，里面压力太大，所以会开始漏气。如果它刚好漏掉4个小气球（这里的小气球就是中子），那么这个过程就有点像“4n反应”。

“我们进行了深入的分析和讨论，认为钙-40束流轰击镥-175靶体系的4n反应道仍有必要进行深入探索。”马龙回忆道。于是，在2017年和2020年，他们又分别进行了第二轮和第三轮实验，但均未能成功探测到目标核素。

尽管多次尝试未果，但近代物理所的科研团队并未放弃。他们基于理论评估，坚信4n反应道是合成新核素的相对理想途径，并推测未观测到目标核的原因是其反应截面可能远低于预期。

“我们始终相信，只要坚持下去，就一定能够找到解决问题的方法。”马龙表示。于是，他们将工作重心转向了“先导B”项目及新一代谱仪的建设，为未来的实验做好充分准备。

经过多年的努力和坚持，科研团队终于迎来了胜利的曙光。在2022年1月的实验中，他们采用了直径460mm的大型旋转靶系统，并将束流强度提升至2皮微安培（puA），目标调整为通过5n反应道合成新核素210Pa。令人振奋的是，仅经过3天的在束实验，他们便成功观测到具有显著统计量的目标核素信号。

“那一刻，所有的努力和坚持都得到了回报。”张明明激动地说，“我们终于合成了极端缺中子的新核素镤-210，这是我们团队多年努力的结晶。”

镤-210的成功合成，不仅填补了核素图谱上的重要空白，更为人类探索原子核的存在极限、揭示新物理现象提供了宝贵的数据支持。同时，该成果也验证了大规模壳模型计算对远离幻数原子核的有效性，为核壳层理论的发展带来了突破性意义。

“这一成果是我们团队共同努力的结果，也是国际合作的重要体现。”马龙研究员表示，“我们与国内外多家科研机构合作，共同攻克了实验中的技术难题，实现了这一科学突破。”