近日，中國科學院近代物理研究所超重核研究團隊與合作者利用中國超重元素研究加速器裝置（CAFE2），首次合成了新核素鏷-210，該核素是目前已知的最缺中子的鏷同位素。這一成果不僅填補了核素圖譜上的重要空白，更為人類探索原子核的存在極限、揭示新物理現象提供了寶貴的數據參考數據。相關研究成果于5月29日發表在《自然-通訊》上。
中國超重元素研究加速器裝置（CAFE2）示意圖。近代物理研究所供圖
科學突破：揭開極端缺中子核素的神秘面紗
鏷-210，這個聽起來有些陌生的名字，實際上是目前已知最缺中子的鏷同位素。它位于核素圖上雙幻核鉛-208的左上角，中子數僅為119，比中子幻數（N=126）少了7個中子。
“中子幻數”就是那些特定的中子數量（2,8,20,28,50,82,126...），當原子核擁有這么多中子時，恰好能把某一個或幾個中子的軌道完全、完美地填滿，一個空位都不剩！這一位置使得鏷-210成為了研究極端缺中子核素特性的優選對象。
“鏷-210的合成，就像是在茫茫大海中撈出了一顆極難捕捉的珍珠。”近代物理所副研究員張明明形象地比喻道。他進一步解釋說，在極端缺中子的錒系核區，新核素的產生截面極低，大約需要億億次的碰撞才能產生一個目標核素；同時，這些核素的壽命極短，往往只有毫秒甚至微秒量級，這對實驗合成和探測技術提出了極高的要求。
在核素圖上，隨著原子核越來越遠離穩定線，其最后一個質子的結合能逐漸減小，最終可能變為負值。這條線被稱為質子滴線，超過這條線時，原子核會因質子過多而變得極不穩定，容易自發發射質子。鏷-210的質子分離能被確定為負值，因此它位于質子滴線以外，被歸類為質子滴線外新核素。
“盡管我們在實驗中只觀測到了鏷-210的α衰變，沒有直接觀測到質子放射性，但這并不妨礙我們對質子滴線附近核結構的系統性認知。”張明明表示，這可能是由于庫侖位壘和離心位壘的阻擋作用，使得質子放射的競爭不過α衰變。然而，這一發現仍然為科學家們提供了寶貴的數據，有助于他們更深入地理解質子滴線附近的核結構特性。
在原子核物理中，自旋宇稱是描述原子核內部結構的重要參數之一。所謂自旋宇稱就是把“自旋”和“宇稱”這兩個特性結合起來描述一個粒子或原子核的狀態。它就像給原子核貼上了一個“標簽”，告訴科學家這個原子核是怎么“旋轉”的，以及它的“對稱性”是怎樣的。
鏷-210的α衰變性質驗證了殼模型對遠離幻數原子核計算的有效性，特別是其自旋宇稱的確定，為核殼層理論帶來了突破性意義。
“殼模型是描述原子核內部結構的量子力學模型，它成功解釋了原子核的穩定性、幻數等性質。然而，對于遠離幻數的原子核，特別是超重核區的原子核，殼模型的計算存在一定困難。”張明明解釋說，“核理論預言，在下一個質子和中子幻數的附近可能還存在一批壽命比較長的原子核，它們就像一座島嶼一樣處于核素圖上最重的原子核區域，被稱作“超重核穩定島”。
雖然各種理論都預言這種“穩定島”是必然存在的，但“穩定島”的具體位置尚存在分歧。大多數核理論認為下一個中子幻數是184，但新的質子幻數可能是114或者126，但也有理論家認為Z=120可能是下一個質子幻數。這些不確定性的存在來源于對超重原子核結構性質認知的不確定性，因為實驗上產生這些超重原子核還存在很大挑戰。因此，在目前已知最重的中子幻數N=126附近，研究原子核的殼層結構，有助于理解超重核區原子核的結構性質，并檢驗核理論預言的準確性。”
實驗挑戰：跨越技術壁壘的壯舉
在極端缺中子的錒系核區合成新核素，面臨著兩大技術挑戰：極低的產生截面和超短的壽命。為了克服這些難題，近代物理所的科研團隊付出了巨大的努力。
“為了產生目標新核素，并將其在大量的本底粒子中分離出來，我們建設了用于超重元素研究的專用加速器裝置和充氣反沖核分離器。”近代物理所研究員馬龍介紹說，“這些設備能夠高效分離傳輸目標核素，并具有良好的本底抑制能力。同時，我們在譜儀的焦平面研發了一套具有單原子探測能力的探測器陣列和數字化電子學獲取系統，實現了對短至微秒量級α衰變的探測。”
充氣反沖核譜儀在此次實驗中發揮了至關重要的作用。“充氣反沖核譜儀的高效分離能力和高靈敏度探測系統，使得我們能夠在極低的反應截面條件下，成功觀測到鏷-210的衰變事件。”馬龍研究員表示，“這不僅驗證了超重元素研究專用加速器裝置和充氣反沖核譜儀的性能，也為未來新元素的合成實驗奠定了堅實基礎。”
在實驗設計中，選擇合適的反應路徑至關重要。近代物理所的科研團隊經過多次嘗試和優化，最終選擇了鈣-40束流轟擊镥-175靶的熔合蒸發反應路徑來合成鏷-210。
“這一反應路徑的選擇，是基于多方面的考慮。”張明明解釋說，“首先，鈣-40束流轟擊镥-175靶相比其他反應體系，目標鏷新核素的產生截面相對較大；其次，超重元素研究專用加速器提供的鈣-40束流流強較高，可達數個皮微安培（pμA）。最后，镥-175靶為天然镥靶，材料易獲得且熔點較高，便于實驗操作。”
實驗歷程：從挫折到勝利的堅持
在合成鏷-210的實驗歷程中，科研團隊經歷了多次嘗試未果的挫折。早在2014年，他們就啟動了鈣-40束流轟擊镥-175靶體系的首輪實驗，試圖通過4n反應道合成新核素211Pa。然而，結果并未如預期般順利。
所謂“4n反應”，就是假設你把兩個小氣球綁在一起，它們會變成一個更大的氣球。但這個大氣球因為綁得太緊，里面壓力太大，所以會開始漏氣。如果它剛好漏掉4個小氣球（這里的小氣球就是中子），那么這個過程就有點像“4n反應”。
“我們進行了深入的分析和討論，認為鈣-40束流轟擊镥-175靶體系的4n反應道仍有必要進行深入探索。”馬龍回憶道。于是，在2017年和2020年，他們又分別進行了第二輪和第三輪實驗，但均未能成功探測到目標核素。
盡管多次嘗試未果，但近代物理所的科研團隊并未放棄。他們基于理論評估，堅信4n反應道是合成新核素的相對理想途徑，并推測未觀測到目標核的原因是其反應截面可能遠低于預期。
“我們始終相信，只要堅持下去，就一定能夠找到解決問題的方法。”馬龍表示。于是，他們將工作重心轉向了“先導B”項目及新一代譜儀的建設，為未來的實驗做好充分準備。
經過多年的努力和堅持，科研團隊終于迎來了勝利的曙光。在2022年1月的實驗中，他們采用了直徑460mm的大型旋轉靶系統，并將束流強度提升至2皮微安培（puA），目標調整為通過5n反應道合成新核素210Pa。令人振奮的是，僅經過3天的在束實驗，他們便成功觀測到具有顯著統計量的目標核素信號。
“那一刻，所有的努力和堅持都得到了回報。”張明明激動地說，“我們終于合成了極端缺中子的新核素鏷-210，這是我們團隊多年努力的結晶。”
鏷-210的成功合成，不僅填補了核素圖譜上的重要空白，更為人類探索原子核的存在極限、揭示新物理現象提供了寶貴的數據支持。同時，該成果也驗證了大規模殼模型計算對遠離幻數原子核的有效性，為核殼層理論的發展帶來了突破性意義。
“這一成果是我們團隊共同努力的結果，也是國際合作的重要體現。”馬龍研究員表示，“我們與國內外多家科研機構合作，共同攻克了實驗中的技術難題，實現了這一科學突破。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60047-2
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