科學家發現有史以來壽命最短的超重原子核

研究人員發現了鑪-252，這是壽命最短的超重原子核，此發現精準了穩定島地圖，推進了原子核穩定性的研究。

來自德國重離子研究中心（GSI/FAIR）、美因茨約翰內斯·古騰堡大學，以及美因茨亥姆霍茲研究所的研究團隊，共同深化了我們對超重核中「穩定島」的理解。他們精確測量了超重的鑪-252原子核，目前它被確認為有記錄以來壽命最短的超重原子核。其研究成果發表在《物理評論快報》上，且被評為「編輯推薦」文章。

《物理評論快報》是美國物理學會出版的享有盛譽的同行評審科學期刊。它於1958年創刊，以快速發表物理各領域重大基礎研究的短篇報告而聞名。它為研究人員提供了一個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加深人們在粒子物理、量子力學、相對論和凝聚態物理等領域的理解。該期刊因其嚴格的同行評審流程，以及聚焦於能在物理領域提供基礎性見解的高影響力論文，在科學界備受推崇。

強核力將質子和中子束縛在原子核內。然而，質子的正電荷會產生排斥力，當質子數過多時，可能會破壞原子核的穩定性。這種內在的不穩定性，在合成新的超重元素時帶來了巨大挑戰。

某些特定的質子和中子組合，也就是所謂的「幻數」，能使原子核具有額外的穩定性。回溯到20世紀60年代的理論研究就預測，在不穩定的超重原子核的「海洋」中，存在著一個「穩定島」，在那裡原子核的壽命極長，甚至能接近地球的年齡。

此後，「穩定島」的概念得到了證實，隨著接近預測的下一個中子幻數184，目前已知的最重原子核的半衰期逐漸增加。然而，「穩定島」的峰值位置、高度（反映最大預期半衰期）以及其範圍仍然未知。

位於達姆施塔特的德國重離子研究中心（GSI/FAIR）、美因茨約翰內斯·古騰堡大學（JGU）和美因茨亥姆霍茲研究所（HIM）的研究人員，如今朝繪製「穩定島」地圖邁進了一步。他們發現了迄今為止壽命最短的超重原子核，這標誌著在鑪（Rf，第104號元素）原子核中「穩定島」的海岸線位置。

為了能在實驗中探測到超重原子核，其最短壽命需達到百萬分之一秒的級別，這使得不穩定「海洋」附近壽命極短的超重原子核難以被探測到。但有一個方法：有時，由量子效應穩定的激發態，其壽命更長，為研究短壽命原子核開啟了一扇門。

「根據我的計算，這種所謂的同質異能體，也就是長壽命的激發態，在變形的超重原子核中很常見。」德國重離子研究中心超重元素化學研究部門的第一作者Khuyagbaatar Jadambaa博士表示。因此，它們用「穩定雲」豐富了不穩定「海洋」上的「穩定島」圖景。

來自達姆施塔特和美因茨的研究團隊，透過尋找此前未知的鑪-252原子核，驗證了這些預測。研究人員利用德國重離子研究中心（GSI/FAIR）的UNILAC加速器產生的強鈦-50束流，使鈦原子核與靶箔上的鉛原子核發生融合。融合產物在反應器後端的反應產物分離與化學分析裝置（TASCA）中被分離。在飛行約0.6微秒後，它們被植入到矽探測器中。該探測器記錄了它們的植入以及隨後的衰變。

總共探測到27個鑪-252原子透過裂變衰變，其半衰期為13微秒。得益於德國重離子研究中心（GSI/FAIR）實驗電子學部門開發的快速數字資料採集系統，同質異能體鑪-252m植入後發射出的電子，以及衰變到基態時釋放的電子都被探測到了。共記錄到3例這樣的情況。在所有情況下，隨後都在250納秒內發生了裂變。從這些資料推斷出鑪-252基態的半衰期為60納秒，它現在是目前已知壽命最短的超重原子核。

「這一結果將已知最重原子核的壽命下限降低了近兩個數量級，達到了在沒有合適同質異能態的情況下無法直接測量的程度。目前的發現為進一步探索與同質異能態、激發態比基態更穩定的逆裂變穩定性，以及最重原子核中的同位素邊界等現象，設定了新的基準。」德國重離子研究中心超重元素化學研究部門負責人Christoph E. Düllmann教授表示。

在未來的實驗中，研究人員計劃測量下一個更重元素鍩（Sg，第106號元素）中具有逆裂變穩定性的同質異能態，並用於合成半衰期低於1微秒的鍩同位素，以進一步繪製同位素邊界。這一結果也為目前正在達姆施塔特建設的國際設施反質子與離子研究裝置（FAIR）開闢了新的前景。

參考文獻：J. Khuyagbaatar、P. Mosat、J. Ballof、R. A. Cantemir、Ch. E. Düllmann、K. Hermainski、F. P. Heßberger、E. Jäger、B. Kindler、J. Krier、N. Kurz、S. Löchner、B. Lommel、B. Schausten、Y. Wei、P. Wieczorek和A. Yakushev於2025年1月14日發表在《物理評論快報》上的《踏入不穩定之海：新的亞微秒超重原子核252Rf》。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.022501