文章來(lái)源：原理
幾年前，日本的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了一個(gè)不同尋常且從未曾見(jiàn)過(guò)的亞原子粒子。他們?cè)趯⑩}核粒子流在粒子加速器中一次又一次地撞向金屬圓盤長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)之后，找到了夢(mèng)寐以求的粒子——鈉（Na）。
沒(méi)錯(cuò)，就是鈉。不要被這個(gè)熟悉的名字欺騙，這可不是我們?cè)谑雏}中能找到的元素。地球上幾乎所有的鈉都是鈉-23，這個(gè)數(shù)字代表組成其原子核的是11個(gè)質(zhì)子和12個(gè)中子。然而，這23個(gè)粒子并不包含所有能被成為鈉的物質(zhì)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，任何質(zhì)子數(shù)為11的原子核都是鈉。畢竟，元素周期表是根據(jù)原子核中的質(zhì)子數(shù)來(lái)排列元素的，第11號(hào)元素就是鈉，這與粒子內(nèi)部的中子數(shù)無(wú)關(guān)。
這次，物理學(xué)家們創(chuàng)造出的是一種含有11個(gè)質(zhì)子、28個(gè)中子的鈉原子核。這種鈉-39是已知的鈉的最大質(zhì)量同位素。它的產(chǎn)量非常小，產(chǎn)生一個(gè)鈉-39原子需要8個(gè)小時(shí)和千萬(wàn)億次的碰撞，而且它幾乎會(huì)在形成之后就立刻解體了。
即便如此，這一結(jié)果仍然創(chuàng)造了鈉的同位素的新紀(jì)錄，這實(shí)則是一些科學(xué)家已經(jīng)嘗試了很久的探索。幾十年來(lái)，物理學(xué)家們一直在探索元素周期表，以求在物理定律允許的條件下找到每種元素的最重同位素。
探索自然的極限一直是物理學(xué)研究者的一個(gè)目標(biāo)，對(duì)稀有同位素的研究就是其中一個(gè)例子。對(duì)于具有一定質(zhì)子數(shù)量的原子核來(lái)說(shuō)，它能束縛的中子數(shù)量是有限的。一旦超過(guò)這個(gè)極限，原子核便會(huì)停止粘合在一起，這一極限被稱為中子滴線。之所以被稱為“滴線”，是因?yàn)槿绻僭黾右粋€(gè)中子突破這個(gè)極限，那么這個(gè)中子就會(huì)毫無(wú)阻力地溜走。
○ 研究人員繪制了氟（F）和氖（Ne）的最重同位素的中子滴線（綠線）。在此之前，我們只知道元素周期表的前8個(gè)元素的中子滴線（粉線）。| 圖片來(lái)源：APS / Joan Tycko
長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，在元素周期表的118種已知元素中，科學(xué)家只知道其中8種最輕元素的中子滴線。繪制重元素的中子滴線可以讓科學(xué)家更好地理解原子核的存在極限。這是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)難度很大的研究，科學(xué)家用了近20年的時(shí)間才最終確定兩種新的核極限。
在新的測(cè)量中，他們?cè)诩铀倨髦邢蜮敚˙e）發(fā)射了一束鈣-48（Ca）高能粒子束，當(dāng)射線擊中目標(biāo)時(shí)，鈣原子核分裂成碎片。然后，通過(guò)使用一種能根據(jù)粒子的質(zhì)量和電荷來(lái)篩選粒子的強(qiáng)大“過(guò)濾器”，研究人員找到了同位素。根據(jù)已經(jīng)繪制到氧元素的中子滴線，他們?yōu)榕旁谘踉刂蟮娜N元素找到了迄今為止的最重同位素——氟-31、氖-34，以及鈉-39。
要證明一個(gè)粒子是同類粒子中最重的，僅僅將它創(chuàng)造出來(lái)是不夠的，還必須能證明沒(méi)有其他更重的同位素物質(zhì)存在——這是這項(xiàng)探索中最難的部分。因?yàn)橛羞@樣一個(gè)問(wèn)題會(huì)一直有縈繞：如果我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更重的同位素，是因?yàn)樗淮嬖?，還是因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)做得不夠好？
在這項(xiàng)研究中，物理學(xué)家們用了數(shù)年時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們升級(jí)了加速器的功率，還制造了一個(gè)幾乎有足球場(chǎng)大的復(fù)雜精妙的粒子過(guò)濾器，它使用磁鐵來(lái)分離原子核。然后，為了證明有22個(gè)中子的氟-31是氟的最重同位素，他們進(jìn)行了多次的粒子碰撞。根據(jù)理論模型的預(yù)測(cè)，應(yīng)該會(huì)有氟-32和氟-33產(chǎn)生。
在實(shí)驗(yàn)中，他們制造出了4000個(gè)氟-31，這是一個(gè)非常龐大的數(shù)量。假如真的有氟-32存在，那么他們應(yīng)該能在這樣大的樣本中看到這種同位素。因此，當(dāng)確定沒(méi)有看到比氟-31更重的同位素時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)幾乎肯定地確認(rèn)了最重的氟同位素就是氟-31。通過(guò)類似的過(guò)程，他們確定了氖-34是氖最重的同位素。
但研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有草率地發(fā)表官方聲明，他們用了近五年的時(shí)間來(lái)分析這些結(jié)果，直到本周才將結(jié)果公布。在最近的《物理評(píng)論快報(bào)》上，他們證實(shí)了氟原子核的極限是22個(gè)中子，氖原子核最多可以包含24個(gè)中子。而鈉的極限仍舊無(wú)法確定，但從這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，這個(gè)極限至少可以是28個(gè)中子。這是20年來(lái)，物理學(xué)家在中子滴線問(wèn)題上作出的首次重大突破，他們確定了氟原子和氖原子中可以擁有的最大中子數(shù)，并為理論計(jì)算模型建立了新的約束條件。
通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家希望更好地理解自然界中可能與不可能之間的界限。此外，這些測(cè)量數(shù)據(jù)還能幫助天體物理學(xué)家研究太空中的一些極端環(huán)境，比如中子星。中子星是已經(jīng)死亡了的恒星坍縮成的核心，它的密度極大，中子星上一茶匙的物質(zhì)重約10億噸。在中子星的極端條件下，就可以形成在實(shí)驗(yàn)室中制造出的這些奇異的、壽命短暫的原子核。
這些實(shí)驗(yàn)不僅繪制了核素的極限圖像，還挑戰(zhàn)著我們所知道的定義了這些核結(jié)構(gòu)的自然基本力?，F(xiàn)在，研究人員希望能夠確認(rèn)鈉元素的最重同位素。在理想的情況下，物理學(xué)家希望能找到元素周期表中所有元素的中子極限。而鈉才僅僅位列118個(gè)元素中的第11號(hào)。因此，科學(xué)家很理性地明白，或許我們很難繪制出所有元素的中子滴線，但即便如此，這種探索也已經(jīng)把宇宙中那些奇怪、混亂的過(guò)程帶到過(guò)我們的面前。
