FRIB的研究人员实现了对铝-22质量的高精度测量

稀有同位素束设施（FRIB）的研究人员实现了对铝-22质量的高精度测量，达到了"质子垂线"--核图中的一个关键边界。质子垂线标志着质子和中子能够形成稳定的原子核的边缘。超过这个界限，额外的质子就无法继续束缚在原子核上，而是会被迅速抛射出去。

艺术家描绘的处于晕态的 22 号铝核。该原子核包含 13 个质子（红色）和 9 个中子（蓝色）。晕核的特点是有一个或多个核子存在于距离紧凑核心较远的地方。资料来源：FRIB

这一独特的极限挑战了我们对核结构和稳定性的理解。在接近极限线时，会出现"核晕"等奇异现象，即致密的核心原子核被松散的质子或中子包围，形成一个晕圈。像这次对铝-22 的测量对于揭示原子核在接近这些极端极限时如何紧密结合在一起至关重要。

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。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检验核理论的关键。最好的测试案例具有挑战理论预测能力的奇特特征；核晕就是这些测试案例之一。

研究人员利用这次对铝-22 的质量测量，确定了移除该同位素最外层质子所需的能量。要使原子核形成质子晕，最后加入的质子必须与原子核结合得非常松散。研究发现，铝-22 就属于这种情况。

美国能源部科学办公室的用户设施--FRIB 的先进稀有同位素分离器在相对论能量下产生、分离和识别了一束铝-22。然后，研究人员将该光束送至光束停止设施，在那里使用高级低温气体停止器（ACGS）停止并提取低能量光束。

接着，光束被送往低能束和离子阱（LEBIT）设施，在那里离子被注入一个被称为潘宁阱的装置，该装置利用电场和磁场将离子储存在空间。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。

研究小组使用了 LEBIT 最新采用的一种检测技术，即相位成像离子回旋共振（PI-ICR）技术。由于铝-22 的半衰期非常短，只有 91 毫秒，因此测量精度可以达到十亿分之二十以上，这是一项挑战。

这项工作利用 ACGS 和 LEBIT 的质量测量，展示了 FRIB 与最先进的束流停止技术相结合的潜力。未来，FRIB 最终将提供两个数量级的更大束流，从而将 LEBIT 的应用范围扩大到核领域中更为奇特的领域。