艺术家描绘的铝-22 原子核(如果处于晕状态)。该原子核包含 13 个质子(红色)和 9 个中子(蓝色)。晕核的特点是一个或多个核子与致密核相距很远。图片来源：FRIB
在先进的稀有同位素束设施中，研究人员精确测量了铝-22 的质量，揭示了“质子滴线”和核力的微妙平衡。
他们的发现让我们更加深入地了解原子核在其稳定极限下的行为，并通过观察质子晕等现象对核理论进行了关键的检验。
核物理学的开创性发现
稀有同位素束设施 (FRIB) 的研究人员已经实现了对铝-22 质量的高精度测量，达到了“质子滴线”——核图表中的一个关键边界。质子滴线标志着质子和中子可以形成稳定原子核的边缘。超过这个边界，额外的质子就无法与原子核保持结合，很快就会被弹出。
这一独特极限挑战了我们对原子核结构和稳定性的理解。在滴线附近，会出现“核晕”等奇异现象，即致密的核被松散结合的质子或中子包围，形成晕。像这样的铝-22 测量对于揭示原子核在接近这些极限时如何紧密结合至关重要。
加强稀有同位素研究
自 2022 年 5 月开始用户运行以来，FRIB 已向实验提供了 270 束稀有同位素束。随着 FRIB 根据科学需求增强能力，它提供了其他任何设施都无法提供的稀有同位素。测量非常稀有的同位素是测试核理论的关键。最好的测试案例表现出挑战理论预测能力的奇特特征;核晕就是其中一种测试案例。
研究人员利用铝-22 的质量测量结果来确定去除同位素中最外层质子所需的能量。原子核要形成质子晕，最后添加的质子必须与原子核非常松散地结合。研究发现，铝-22 就是这种情况。
同位素测量的先进技术
研究人员使用美国能源部科学办公室用户设施 FRIB 的先进稀有同位素分离器，在相对论能量下产生、分离和识别铝-22 束。然后，研究人员将束流送至束流停止设施，在那里，使用先进低温气体停止器 (ACGS) 停止束流，并在低能量下提取束流。
接下来，光束被送往低能束和离子阱 (LEBIT) 设施，在那里离子被注入一种称为彭宁阱的装置，该装置利用电场和磁场将离子存储在太空中。然后，研究人员通过观察离子在阱中的运动，高精度地测量了离子的质量。
研究团队采用了 LEBIT 新实施的一项检测技术，即相位成像离子回旋共振 (PI-ICR) 技术。该技术可实现优于 20 ppb 的测量精度，而铝-22 的半衰期非常短，仅为 91 毫秒，因此测量精度颇具挑战性。
FRIB 的未来前景
这项工作展示了 FRIB 与最先进的束流停止技术相结合的潜力，使用 ACGS 和 LEBIT 进行质量测量。未来，FRIB 最终将提供两个数量级的束流电流，从而将 LEBIT 的覆盖范围扩大到核领域更奇特的区域。
