藝術家描繪的鋁-22 原子核(如果處于暈狀態)。該原子核包含 13 個質子(紅色)和 9 個中子(藍色)。暈核的特點是一個或多個核子與致密核相距很遠。
在稀有同位素束設施中，研究人員精確測量了鋁-22 的質量，揭示了“質子滴線”和核力的微妙平衡。
他們的發現讓我們更加深入地了解原子核在其穩定極限下的行為，并通過觀察質子暈等現象對核理論進行了關鍵的檢驗。
01
核物理學的開創性發現
稀有同位素束設施 (FRIB) 的研究人員已經實現了對鋁-22 質量的高精度測量，達到了“質子滴線”——核圖表中的一個關鍵邊界。質子滴線標志著質子和中子可以形成穩定原子核的邊緣。超過這個邊界，額外的質子就無法與原子核保持結合，很快就會被彈出。
這一獨特極限挑戰了我們對原子核結構和穩定性的理解。在滴線附近，會出現“核暈”等奇異現象，即致密的核被松散結合的質子或中子包圍，形成暈。像這樣的鋁-22 測量對于揭示原子核在接近這些極限時如何緊密結合至關重要。
02
加強稀有同位素研究
自 2022 年 5 月開始用戶運行以來，FRIB 已向實驗提供了 270 束稀有同位素束。隨著 FRIB 根據科學需求增強能力，它提供了其他任何設施都無法提供的稀有同位素。測量非常稀有的同位素是測試核理論的關鍵。最好的測試案例表現出挑戰理論預測能力的奇特特征;核暈就是其中一種測試案例。
研究人員利用鋁-22 的質量測量結果來確定去除同位素中最外層質子所需的能量。原子核要形成質子暈，最后添加的質子必須與原子核非常松散地結合。研究發現，鋁-22 就是這種情況。
研究人員使用美國能源部科學辦公室用戶設施 FRIB 的先進稀有同位素分離器，在相對論能量下產生、分離和識別鋁-22 束。然后，研究人員將束流送至束流停止設施，在那里，使用先進低溫氣體停止器 (ACGS) 停止束流，并在低能量下提取束流。
接下來，光束被送往低能束和離子阱 (LEBIT) 設施，在那里離子被注入一種稱為彭寧阱的裝置，該裝置利用電場和磁場將離子存儲在太空中。然后，研究人員通過觀察離子在阱中的運動，高精度地測量了離子的質量。
研究團隊采用了 LEBIT 新實施的一項檢測技術，即相位成像離子回旋共振 (PI-ICR) 技術。該技術可實現優于 20 ppb 的測量精度，而鋁-22 的半衰期非常短，僅為 91 毫秒，因此測量精度頗具挑戰性。
