科學家揭開神秘核「凸起」，挑戰現有物理模型

科學家在放射性鑭同位素中發現了意想不到的核能轉移現象，這一發現挑戰了現有的物理模型，並對天體物理學研究產生了重大影響。

芬蘭于韋斯屈萊大學加速器實驗室的研究人員精準測量了放射性鑭同位素的原子質量，揭示了其核結合能中一個意想不到的特徵。這一發現為理解宇宙中比鐵更重元素的形成提供了關鍵資料，同時也促使科學家進一步探究造成這一異常現象的核結構。

富含中子的放射性原子核的核結合能，在模擬宇宙中重元素的起源方面扮演著關鍵角色。研究人員利用離子引導線上同位素分離（IGISOL）設施，成功製造出短壽命、富含中子的鑭同位素。由於這些同位素存在時間短暫，研究難度極大，因此精準的質量測量可謂是一項重大成就。

藉助高靈敏度的相成像離子迴旋共振技術，研究人員使用JYFLTRAP彭寧阱質譜儀，以極高的精準度測定了六種鑭同位素的質量。于韋斯屈萊大學的阿努·坎凱寧教授表示，首次測量了兩種最奇特的同位素——鑭 - 152和鑭 - 153的質量。坎凱寧教授是該研究的領導者，此研究是她歐洲研究委員會資助專案「少女」（MAIDEN）的一部分。

高精度的質量測量被用於研究鑭同位素的中子分離能。中子分離能是指從特定同位素的原子核中移除一個中子所需的能量，它能提供有關原子核結構的資訊，也是計算天體物理學中快速中子捕獲（r）過程中中子捕獲率的重要引數。至少在中子星合併過程中會發生快速中子捕獲過程，例如GW170817合併事件中的千新星觀測就證實了這一點，坎凱寧解釋道。

在這項研究中，研究人員測定了鑭同位素的雙中子分離能，並發現當中子數從92增加到93時，這些值出現了一個強烈的區域性增長，即「凸起」。這一觀測到的「凸起」十分獨特，需要進一步研究。

于韋斯屈萊大學的博士生阿圖爾·賈里斯表示：「在完成質量資料分析並計算出雙中子分離能後，我驚訝地發現了這一特徵。現有的核質量模型都無法解釋它。有跡象表明，這可能是由這些同位素的核結構突然變化引起的，但需要使用鐳射或核譜學等互補方法進行進一步研究。」阿圖爾·賈里斯將於6月在物理系進行博士論文答辯。

新的精準質量值使計算出的天體物理學中子捕獲反應率最多改變了約35%，在最極端的情況下，與質量相關的不確定性最多降低了80倍。

坎凱寧表示：「這些改進後的反應率對於解釋快速中子捕獲過程中稀土元素豐度峰值的形成至關重要。更重要的是，這些測量結果表明，天體物理學模型中使用的現有核質量模型無法預測這一特徵，未來需要進一步發展。」

參考文獻：A. Jaries、M. Stryjczyk、A. Kankainen、T. Eronen、O. Beliuskina、T. Dickel、M. Flayol、Z. Ge、M. Hukkanen、M. Mougeot、S. Nikas、I. Pohjalainen、A. Raggio、M. Reponen、J. Ruotsalainen和V. Virtanen所著的《高精度質譜揭示富含中子鑭同位素雙中子分離能中的顯著凸起》，發表於2025年1月27日的《物理評論快報》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.042501 。《物理評論快報》（PRL）是美國物理學會出版的著名同行評審科學期刊，創刊於1958年，以快速發表各物理領域重大基礎研究的簡短報告而聞名。它是研究人員快速分享具有突破性和創新性發現的平臺，這些發現可能會改變或深化對粒子物理學、量子力學、相對論和凝聚態物理學等領域的理解。該期刊因其嚴格的同行評審過程以及對高影響力論文的關注而在科學界備受推崇，這些論文通常為物理學領域提供基礎性的見解。