科學家發現新超重同位素鍆-244，其奇異的裂變活動令人困惑

更好地了解穩定、超重元素存在的限制因素是化學和物理學的十年追求。超重元素，即原子序數大於103的化學元素，在自然界中不會出現，而是由粒子促進劑人工生產的，它們會在幾秒鐘內消失。

圖註：TASCA分離器的焦平面檢測器，向其中注入了鍆-244同位素並記錄了其衰變。

由GSI和HIM的賈丹巴·庫亞格巴塔爾（Jadambaa Khuyagbaatar）博士領導來自GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt、約翰內斯·古騰堡大學美因茨（JGU）、美因茨亥姆霍茲研究所（HIM）和芬蘭于韋斯屈萊大學（University of Jyvaeskylae）的科學家團隊，為這些奇異核的裂變過程提供了新的見解，為此，產生了迄今未知的鍆（Mendelevium）-244核。實驗是FAIR實驗計劃的第一階段「 FAIR Phase 0」的一部分。結果現已發表在《物理評論快報》上。

重核和超重核在裂變過程中變得越來越不穩定，在裂變過程中，核分裂成兩個較輕的碎片。這是由於此類原子核中大量帶正電的質子之間的庫侖排斥力越來越強，並且是穩定超重原子核存在的主要限制之一。

核裂變過程是在80多年前發現的，迄今為止一直在深入研究。關於自發裂變的大多數實驗數據是質子和中子數目偶數的原子核，即「偶數-偶數核」。偶偶核完全由質子和中子對組成，其裂變特性可以通過理論模型很好地描述。在具有奇數個中子或質子的原子核中，與偶-偶核的性質相比，已經觀察到了裂變過程的障礙，並追溯到原子核中這種單一的、不成對的成分的影響。

然而，鮮為人知的奇奇核中同時包含奇數個質子和奇數個中子的裂變障礙。現有的實驗數據表明，這種原子核的自發裂變過程受到了極大的阻礙，甚至比僅具有一種奇數類型組分的原子核受阻更大。

一旦最大程度地降低了裂變的可能性，其他放射性衰變模式（例如α衰變或β衰變）就可能出現。在β衰變中，一個質子轉變為中子（反之亦然），因此奇奇數個原子核變為偶數個核，通常具有很高的裂變概率。因此，如果在產生奇數核的實驗中觀察到裂變活性，則通常很難確定裂變是否發生在奇數核中，或者不是從偶數β衰變衰變子開始，然後可以經歷β延遲裂變。最近，來自GSI和HIM的賈丹巴·庫亞格巴塔爾博士預測，這種β延遲裂變過程可能與超重核非常相關，並且實際上，這可能是β衰變超重核的主要衰變模式之一。

圖註：鍆（Mendelevium）核區域的核圖。 每個方框代表一個原子核，質子數在垂直方向上增加，而中子數在水平方向上。已知核由彩色框顯示，其中顏色表示核衰變模式：α衰變（黃色）、β衰變（棕色）、自發裂變（綠色）。粗框表示奇奇核，其中所有β衰變中β延遲裂變的發生率均> 1％（數據摘自J.Khuyagbaatar，Eur.Phys.J.A 55，134（2019 ））。 概率以藍色表示。突出了新同位素鍆-244的位置和衰變特性。

在超重核中，在極難進行實驗生產的情況下，尚未最終觀察到β-衰減。例如，在GSI Darmstadt產生的超重的元素中，在持續了大約一個月的實驗中，僅觀察到了奇數原子核tennessine-294的兩個原子。如此低的生產率限制了β衰變延遲裂變過程的驗證和詳細研究。儘管如此，在異質核中最好地獲得了闡明這一過程的新實驗數據，例如質子與中子比例極不平衡的那些。為此，來自GSI、JGU、HIM和于韋斯屈萊大學的研究小組生產了迄今為止未知的鍆-244核，這是由101個質子和143個中子組成的奇數核。

理論估計表明，在大約20%的情況下，該核的β衰變將伴隨裂變發生。由於裂變過程中大量的能量釋放，可以高靈敏度地檢測到這一點，而β衰變則更難以測量。研究人員使用了GSI的UNILAC加速器上可用的鈦-50強束來照射金靶。鈦和金原子核的反應產物在「放線型分離器」和「化學TASCA」中分離，後者將鍆核引入矽檢測器，以檢測原子核的注入及其隨後的衰變。

研究的第一部分於2018年進行，導致觀察到鍆-244的七個原子。2020年，研究人員使用了較低的鈦-50射線束能量，不足以導致生產鍆-244 。確實，在數據集的這一部分中沒有像2018年研究中分配給鍆-244的信號，這證實了2018年數據的正確分配並確認了新同位素的發現。

圖註：實驗負責人賈丹巴·庫亞格巴塔爾（Jadambaa Khuyagbaatar）博士站在鍆-244實驗所用TASCA分離器前面的X8實驗大廳裡。

所有七個已登記原子核都經歷了α衰變，即發射了一個4氦原子核，這導致了4年前在于韋斯屈萊大學進行的一項先前實驗發現的子同位素鑀（Einsteinium）-240。沒有觀察到β衰減，因此可以將這種衰減模式的上限設置為14％。如果所有β衰變核的20％裂變概率是正確的，則β延遲裂變的總概率將至多為2.8％，並且其觀察將需要比該發現實驗產生更多的鍆-244原子。

除了α衰變的鍆-244，研究人員還發現了短時裂變事件的信號，其數量、生產概率和半衰期具有出乎意料的特徵。它們的起源目前尚不能準確查明，實際上，根據目前對鍆-244同位素的產生和衰變的了解，目前尚無法輕易地闡明它們的起源。這激勵了後續研究以獲取更詳細的數據，這將有助於進一步揭示奇數核的裂變過程。