稀有同位素束設施（FRIB）的研究人員實現了對鋁-22質量的高精度測量，達到了”質子垂線”–核圖中的一個關鍵邊界。 質子垂線標誌著質子和中子能夠形成穩定的原子核的邊緣。 超過這個界限，額外的質子就無法繼續被束縛在原子核上，而是會被迅速拋射出去。

藝術家描繪的處於暈態的22 號鋁核。 此原子核包含13 個質子（紅色）和9 個中子（藍色）。 暈核的特徵是有一個或多個核子存在於距離緊湊核心較遠的地方。 資料來源：FRIB

這獨特的極限挑戰了我們對核結構和穩定性的理解。 在接近極限線時，會出現”核暈”等奇異現象，即緻密的核心原子核被鬆散的質子或中子包圍，形成一個暈圈。 像這次對鋁-22 的測量對於揭示原子核在接近這些極端極限時如何緊密結合在一起至關重要。

自2022 年5 月開始使用者運行以來，FRIB 已向實驗提供了270 束稀有同位素。 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檢驗核子理論的關鍵。 最好的測試案例具有挑戰理論預測能力的奇特特徵；核暈就是這些測試案例之一。

研究人員利用這次對鋁-22 的質量測量，確定了移除該同位素最外層質子所需的能量。 要讓原子核形成質子暈，最後加入的質子必須與原子核結合得非常鬆散。 研究發現，鋁-22 就屬於這種情況。

美國能源部科學辦公室的使用者設施–FRIB 的先進稀有同位素分離器在相對論性能量下產生、分離和識別了一束鋁-22。 然後，研究人員將該光束送至光束停止設施，在那裡使用高級低溫氣體停止器（ACGS）停止並提取低能量光束。

接著，光束被送到低能束和離子阱（LEBIT）設施，在那裡離子被注入一個被稱為潘寧阱的裝置，該裝置利用電場和磁場將離子儲存在空間中。 然後，研究人員透過觀察離子在阱中的運動，高精度地測量了離子的質量。

研究團隊使用了LEBIT 最新採用的一種檢測技術，即相位成像離子迴旋共振（PI-ICR）技術。 由於鋁-22 的半衰期非常短，只有91 毫秒，因此測量精度可以達到十億分之二十以上，這是一項挑戰。

這項工作利用ACGS 和LEBIT 的品質測量，展示了FRIB 與最先進的束流停止技術相結合的潛力。 未來，FRIB 最終將提供兩個數量級的更大束流，從而將LEBIT 的應用範圍擴展到核領域中更為奇特的領域。

編譯自/ ScitechDaily