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2022年11月17日 理化学研究所 发现超中子过剩同位素钠-39-时隔20年更新钠同位素的已知存在极限- 理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究中心实验装置运转维持管理室的久保敏幸研究委托、安得顺合作研究员(研究当时)、铃木宏技师、东京工业大学理学院物学系的中村隆司教授等国际共同研究小组，使用理研的重离子加速器设施RI束工厂( RIBF ) [1]， 世界上首次生成并观测到比稳定钠-23(23Na :质子数11、中子数12、质量数23 )多16个中子的超中子过剩的同位素[2]、钠-39(39Na :质子数11、中子数28、质量数39 ) 通过这个发现，首次查明了39Na的原子核受到束缚[3]而存在。 本研究成果将为中子数过剩极限附近的放射性同位素( RI ) [4]的原子核结构的阐明和理论计算做出贡献，同时，也有望成为验证在理解宇宙中元素合成过程等方面重要的原子核质量模型的有效性的试金石。 它还提供了重要证据，证明中子过剩的原子核正在消失魔法数[5]28。 此次，国际共同研究小组通过实现大强度重离子束和高效率的RI束分离生成装置BigRIPS[6]等在RIBF方面的卓越实验条件，自从钠-37(37Na :质子数11，中子数26，质量数37 )被发现以来，时隔20年，发现了比它中子过剩的39Na，成功地更新了钠同位素的已知存在极限。 本研究刊登在科学杂志《Physical Review Letters》在线版( 11月14日)上。 它还被选为《编辑' suggestion》和《查看点》。 背景 在元素的同位素[2] (同位素)的原子核中，最多能附加多少中子呢？ 例如，在氖( Ne :质子数10 )情况下，氖-20(20Ne :中子数10，质量数20 )、氖-21(21Ne :中子数11，质量数21 )、氖-22(22Ne :中子数12，质量数21 ) 在其中进一步添加了中子的同位素氖-23(23Ne :中子数13，质量数23 )、氖-24(24Ne :中子数14，质量数24 )等，由于贝塔衰变[7]，核内的中子随时间转化为质子，但在氖-34(34Ne :中子数24，质量数34 )之前，质子和中子结合，作为受束缚的原子核存在。 但是，即使再加入中子制造氖-35(35Ne :中子数25，质量数35 )，也不会结合，会立即放出中子而崩溃。 在原子核的地图(核图表[8] )上，这种原子核的存在极限被称为“中子滴流线[9]”。 中子滴线位于核图上中子过剩侧的边界线上。 到目前为止，中子滴流线确定的只有氖，钠( Na :质子数11 )以上的重元素还没有确定(图1 )。  图1表示本研究对象区域的核图表 各个方格表示同位素，虚线所示的方格表示在本研究中进行探索的新同位素的钠-39(39Na :质子数11、中子数28、质量数39 )。 框格越往纵向上侧，质子数越增加，越往横向右侧，中子数越增加。 已知的存在极限(中子滴流线)用橙色粗线表示。 最初的“原子核能附加多少中子”的问题，是原子核物理学中重要而基本的问题，但至今尚未解决。 中子滴流线附近的极限原子核具有类似中子晕圈[10]的特殊结构，原子核中连接质子和中子的力，即汤川秀树博士发现的“核力”，被认为会出现与天然存在的稳定原子核性质不同的原子核结构。 也会发生核结构中魔法数的消失这一有趣的现象。 即使采用今天的加速器和生成技术，生成中子数过剩的原子核(中子过剩核)也不容易。 实际上，关于Na元素，自20年前确认存在钠-37(37Na :中子数26，质量数37 )以来，没有确认到比其中子数多的同位素(图1 )。 这是因为，元素越重，中子滴流线附近的同位素中子数就越多，使用天然存在的稳定同位素重离子束进行反应时生成率减少，生成变得极其困难。 为了克服这个困难，实现带来高生成效率的实验条件是必不可少的。 在本研究中，使用了与以往的设施装置相比具有卓越的生成效率的、RI束工厂( RIBF )提供的大强度重离子束和新一代的大口径超导RI束分离生成装置BigRIPS，时隔20年，挑战了位于中子滴流线附近的新同位素钠-39(39Na :中子数28，质量数39 )的生成和发现。 39Na的原子核是中子数比质子数多17个的超中子过剩核。 研究方法和成果 国际共同研究小组将由RIBF的加速器提供的加速到光速约70%的大强度钙-48(48Ca :质子数20，质量数48 )光束照射到厚度20mm的铍( Be )靶上，通过入射核破碎反应[11]，生成了含有39Na的中子过剩放射性同位素[4]波束( RI波束)。 此外，使用大口径超导RI光束分离生成装置BigRIPS，收集分离生成的RI光束，进行了观测到的放射性同位素的粒子识别(鉴定) (图2、3 )。 本研究通过使用大强度48Ca光束和BigRIPS具有的高RI光束收集识别能力，对39Na等远离稳定线[8]的中子滴流线附近的同位素的生成，实现了充分的生成效率。  图2 RI光束工厂( RIBF )的结构 RIBF是提供重离子束的加速器系统(回旋加速器的RRC、fRC、IRC、SRC等)、由超导RI束分离生成装置的BigRIPS构成的RI束生成系统、然后由使用生成系统生成的RI光束进行多角度研究利用的基础实验装置系统构成。 图3超导RI束分离生成装置( BigRIPS ) BigRIPS是由6台常导偏转电磁铁和14台大口径超导三连四极电磁铁构成的两阶段型飞行分离型RI波束生成装置。 在第一级中，对在生成目标中生成的RI波束进行收集分离，在第二级中，可以进行进一步的分离和RI波束的高分辨率粒子识别(识别)。 这两个阶段构成和强烈意识到高效率的RI波束生成的大口径高磁场规格是一大特长。 粒子识别是通过测定RI光束的飞行时间(速度)、磁刚性[12]、物质通过中的能量衰减，针对每个事件导出放射性同位素的质子数( z )以及质量数( a )和质子数之比( A/Z )来进行的。 图4是其粒子识别图，是在本测量中观测到的事件的二维绘图。 通过精密数据分析，在粒子识别中实现了充分的分辨率和背景现象的消除(无背景)。 如图4所示，本实验明确地观测到了新同位素的39Na。 生成的39Na总数为9个，这表明了39Na的无可置疑的发现。 以上结果表明，39Na的原子核受到束缚。  图4钠-39探索实验时的粒子识别图 在明治时代观测到了新同位素的钠-39(39Na :质子数11，中子数28，质量数39 )。 同时观测到的几种已知同位素，如镁-40(40Mg :质子数12、中子数28、质量数40 )也得到鉴定，图中显示了其种类。 今后的期待 这次39Na的发现，可以期待对中子过剩极限特征性的原子核结构和核力量的解释有所贡献。 39Na原子核的中子数为28，在稳定核的区域相当于魔法数。 根据39Na原子核受束缚的实验结果，可以解释为在中子过剩极限，该魔法数28消失了，结果39Na的原子核发生了变形[13]。 这是因为，在这个区域，原子核变形的话，核子会结合得更紧，原子核会更束缚。 这种解释也与最近最先进的理论计算相匹配。 另外，在由宇宙的爆发性现象引起的被称为r过程[14]的元素合成过程中，虽然存在中子过剩核，但对于其阐明，它们的质量预测很重要。 此次39Na的发现，有望成为验证这些中子过剩核质量模型有效性的重要试金石。 此外，正确的质量模型对确定解开中子星[15]结构所需的中子过剩核的状态方程式[16]也有重要作用。 下一个挑战是探索中子过剩的钠同位素，根据镁-42(42Mg :质子数12、中子数30、质量数42 )和铝-45(45Al :质子数13、中子数32、质量数45 )等计算质子数 理研的RIBF，以大幅度增强光束强度为目标的高级化计划正在进行中，达成之际，可以期待面向中子过剩极限的研究进一步发展，核图表边界线的确定将继续进行。 美国最近也开始运行大型RI波束设施，德国正在建设大型RI波束设施。 这样，处于极限状态的原子核之谜、宇宙物质的起源等就会变得更加明确。 补充说明
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