铬-62研究有助于研究人员更好地了解反转岛周围的形状

在《自然物理学》最近的一篇论文中，一项国际研究合作利用稀有同位素束(FRIB)设施中的世界一流仪器来研究奇异核素或稀有同位素铬-62。

研究人员利用伽马射线光谱实验结合理论模型，发现了铬-62 中意想不到的各种形状。这一发现为所谓的“反转岛”提供了更多见解，即核图中某些核素与基于稳定核性质的传统观点不同的区域。

这项工作由来自 12 个不同机构的 23 名研究人员共同完成。该合作由 FRIB 物理学教授、密歇根州立大学物理与天文系教授兼 FRIB 科学主任 Alexandra Gade 领导，北卡罗来纳大学教堂山分校 Edward G. Bilpuch 杰出教授 Robert Janssens 和前 FRIB 研究生研究员、现任劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究员 Brenden Longfellow 等重要贡献者也参与其中。

盖德说：“核理论的一个目标是开发一个模型来描述所有原子核的特性，包括中子比质子多得多的稀有同位素，它们通常不遵循为其稳定同胞建立的教科书物理学。”

“模型必须能够描述反转岛的结构变化，否则它们就不会包含正确的物理原理，使用它们进行进一步的推断可能没有用。从这个意义上说，反转岛中的原子核是测试核模型的最佳垫脚石之一，然后再推断未知的东西。”

反转岛上充满了意想不到的形状

许多研究人员利用能够探测更多奇异原子核的新型强力粒子加速器，专注于了解短寿命、富含中子的原子核的特性，包括它们的形状。科学家们知道，原子核图表中较为熟悉的那一面遵循中子和质子的神奇数字。

然而，近几十年来，研究人员开始注意到，中子比质子多得多的同位素可以打破这些规则，而魔法数字并不像人们曾经认为的那样不可改变。因此，某些富含中子的原子核与稳定的原子核相比，其原子核结构存在显著差异。

“这些反转岛的有趣之处在于，那里的原子核原本应该是球形的，因为它们拥有神奇数量的中子，但它们的基态却发生了变形，”朗费罗说。“质子和中子在核壳模型中填充轨道的方式不同，远非稳定。”

詹森斯和盖德已经合作研究了 20 多年的神奇核数。詹森斯指出，FRIB 从其前身国家超导回旋加速器实验室发展而来，其技术和基础设施投资使研究人员能够推进中子重奇异物质前沿的研究。

“这些年来，我们做过很多实验，但直到 FRIB 上线，我们才有机会使用 GRETINA 伽马射线探测器，我们的工作几乎遇到了障碍，”Janssens 说。“这实际上是 FRIB 首次使用该设施的飞行碎裂光束进行实验。”

GRETINA 促进合作研究

为了研究铬-62，FRIB 碎片分离器团队首先向铍靶发射高能锌同位素束。在此过程中，研究人员产生了铁-64 同位素。通过从这些铁同位素中敲出两个质子，该团队能够形成铬-62。

然而，对于这项实验来说，更重要的是使用伽马射线能量跟踪束内核阵列 (GRETINA)。GRETINA 由劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的科学家领导的合作开发，作为最先进的伽马射线探测仪器，供美国领先的粒子加速器设施使用。

“GRETINA 是这项工作不可或缺的一部分，”Gade 说道。“我们通过发射的伽马射线标记了铬-62 的激发态。激发态衰变的方式是独一无二的指纹，通过选择它们，我们可以研究铬-62 各个最终状态的性质。”

在 FRIB 基础设施和 GRETINA 的帮助下，研究小组发现铬-62 在基态时形状变形，但在较高激发能量下变形较小，且形状非轴对称。研究小组将其发现外推到核图中铬-62 附近的钙同位素，并为未来的实验工作制定了研究路线。

“以这些发现为跳板，我们将继续在这个区域开展工作，并测量表征反转岛中这些核的其他可观测量。而且，随着 FRIB 继续提升其能力，我们将能够接触到这个反转岛中更多富含中子的租户，”Gade 说。

此外，GRETINA 很快将改造为伽马射线能量跟踪阵列 (GRETA)。这将增加仪器中的伽马射线探测器数量，并能够探测到更微弱的核信号。伯克利实验室在 GRETINA 和现在的 GRETA 的创建中发挥了领导作用。

研究人员强调，除了 FRIB 的基础设施外，他们的工作还受益于多家美国研究机构和多家欧洲机构之间的合作。Gade 和 Janssens 都强调，推进核物理前沿既需要对研究基础设施的投资，也需要健康的合作和思想交流精神。

“实验核物理是一项团队运动，”盖德说。“它需要一群拥有不同技能的人来构思和提出实验，运行仪器，在多体计算或核结构和核反应的框架内分析和解释数据。”