美研发出新核子侦测系统，可透视次原子世界

一套可望推动核物理与美国国家安全研究的次世代核侦测系统，已于密歇根州立大学（MSU）的“稀有同位素束流设施”（Facility for Rare Isotope Beams, FRIB）完成首批运转测量与性能鉴定。这套名为GRETA（Gamma-Ray Energy Tracking Array，伽玛射线能量追踪阵列）的先进设备，在早期束流测试中成功达成了所有预定性能指标，宣告正式迈入运转阶段。

安装于稀有同位素束流设施的GRETA（柏克莱实验室）

摆脱传统限制：以“能量追踪”精准描绘原子核结构

物理学家设计GRETA的核心目的，是以前所未有的精度描绘次原子（Subatomic，又称“亚原子”）结构。当原子核发生碰撞或衰变时，会释放伽玛射线（高能光子）；透过精准记录这些伽玛射线，研究人员得以直接观察维系原子核内部的基本作用力。

传统的伽玛射线能谱仪仅能测量入射光子在单一侦测器块体内沉积的总能量。GRETA则采取完全不同的技术路线：

分段电极设计：采用高纯度锗（HPGe）半导体晶体，并装有高度分段的电极接点。

即时讯号撷取：当高能光子与晶体发生作用时，专用的数位数据撷取硬体会即时记录产生的电脉冲。

三维作用定位：系统能据此计算出光子在晶体内每次作用的精确三维座标，进而重建光子的散射路径。

这种“能量追踪”能力，使GRETA能在极高的背景电子杂讯中精准撷取出微弱讯号，这是研究极端不稳定、寿命极短之稀有同位素的关键技术门槛。

多机构顶尖合作与成功试运转

打造这套庞大阵列需仰赖美国横跨多个国家实验室的团队合作。劳伦斯柏克莱国家实验室（LBNL）的工程团队组装了核心侦测器模组并执行初试；阿贡国家实验室（ANL）与橡树岭国家实验室（ORNL）的合作伙伴则建构了支援子系统与高阶讯号处理软体。

在试运转期间，研究团队将GRETA成功整合至FRIB的再加速器束流线（ReA），完成全阵列校准，并透过将轻原子核束流射向固定靶进行验证。碰撞产生的受激复合核历经多阶段伽玛衰变，实测结果证实，GRETA在时间同步与能量解析度上的表现，完全符合电脑模拟预期。

探索次原子世界：三大关键研究领域

随着鉴定工作完成，GRETA已正式成为FRIB开放给全球学者申请使用的主力仪器。研究人员将利用此设施研究仅能存在几分之一秒的极端短命同位素，重点聚焦于三大领域：

绘制核稳定性极限：测量原子核的“滴线”（Drip lines），探讨单一原子核在崩解前最多能容纳多少质子与中子。

揭开宇宙元素起源：追踪与恒星内部反应相仿的衰变路径，模拟并解释比铁重的元素如何在超新星爆发与中子星碰撞中合成。

检验基本物理定律：高精度记录次原子衰变过程中的微小变异，用以测试标准模型的对称性与限界。

柏克莱实验室核子科学部主任兼GRETA专案主任保罗?法隆（Paul Fallon）表示：“透过探索GRETA对极微弱伽玛射线跃迁的极致灵敏度，我们得以将其性能推升至远超过先前世代侦测器阵列的高度。”

GRETA收集到的高精度实验数据，不仅能改进现有的原子核理论模型，更将为核物理、天体物理、能源应用、核医学以及国家安全防卫等领域奠定持续研究的科学基础。