近日，中山大學與中國科學院近代物理研究所、山東大學等單位組成的科研團隊首次合成了新核素鋨-160、鎢-156。2024年2月15日，相關成果作為亮點論文（Highlights）在國際學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表。該工作同時入選編輯推薦（Editors’ Suggestion）和物理亮點（Featured in Physics），并同時被美國物理學會的Physics雜志在線報道。該工作發表后，央視新聞、科技日報等媒體發布了相關新聞報道，并在人民日報、人民網、新華網、中國日報、光明網、學習強國等上百個媒體轉載報道。

　　原子核是由質子和中子組成的量子多體系統。不同數量的質子和中子，構成了具有不同性質的原子核，科學家們把它們稱為核素。合成和研究新核素，不僅對認識物質結構具有重要意義，而且為理解天體環境的演化提供重要信息，是探索自然奧秘的重要手段。

新核素鋨-160和鎢-156在核素圖上的位置 （圖/楊華彬）

　　研究團隊依托蘭州重離子加速器，利用充氣反沖核譜儀SHANS，通過熔合蒸發反應合成了新核素鋨-160和鎢-156。鋨-160（中子數為84）具有α放射性，而鎢-156（中子數為82）具有β+衰變的放射性。團隊測量了鋨-160的α衰變粒子能量、半衰期及鎢-156的半衰期等性質。

　　通過系統分析新測量數據和已有數據，研究人員發現當原子序數大于68時，中子數為84、85的同中子素的α粒子預形成概率逐漸變小，揭示了中子數為82的殼效應在缺中子核素中增強的現象。進一步研究認為該效應增強的原因在于不斷逼近可能較穩定的雙幻核——鉛-164 (質子數為82、中子數為82)。本工作首次明確給出了中子數為82的中子殼在缺中子核素一側的演化情況，使我國的新核素研究進入了一個新的核區。

　　近年來，中山大學在我國新核素合成和沖擊新元素方向做出重要貢獻，本工作中，借助學校天河二號超級計算機，學校中法核工程與技術學院核數據科學與應用團隊使用該團隊最新構建的原子核相互作用，在組態相互作用模型框架下揭示這一區域中子殼增強現象，并可深入分析其如何被相互作用影響，袁岑溪副教授與近代物理研究所甘再國研究員、山東大學王守宇教授為共同通訊作者，21屆本碩連讀畢業生劉夢蘭（21級博士）和徐蘇揚（現在近代物理研究所攻讀博士學位）分別進行主要理論分析和做出實驗貢獻。

　　新核素的合成和性質測量需要大科學裝置完成，新核素性質背后的物理機理分析需要理論模型的幫助。2017年之前，作為原子核的重要模型之一，組態相互作用殼模型幾乎未被用于新核素性質分析，主要面臨的難點有：1、沒有合適的相互作用；2、多體計算復雜度增長的指數墻物理。近些年來，該團隊持續構建和優化適合描述新核素的相互作用，探索如何考慮重要的多體關聯降低計算規模，成功突破這兩個難點，陸續合作完成了8個新核素合成的工作：新核素镎-223（2017年合成），團隊理論分析結合實驗數據共同建議其自旋宇稱為9/2+；新核素鈾-214（2021年合成），團隊理論分析其α衰變增強來自于質子中子相互作用的增強；新核素鎂-18，團隊嘗試用弱束縛效應解釋其能譜（2021年合成）；新核素釷-207（2022年合成），團隊用對散射解釋其附近區域的α衰變能奇偶效應。

研究團隊教師合影

　　中國尚未合成過新元素，我國科學家正準備沖擊“中國元素”。目前，學校共合作合成了8個新核素，參與廣東省基礎與應用基礎研究重大項目“超重核素合成及新方法研究”，多次舉辦研討會組織討論新元素合成的條件和其衰變性質，合作研發反沖衰變標記裝置鑒別新核素或新元素的伽馬衰變譜，揭示新核素镎-223、鈾-214、鎂-18、釷-207性質背后的物理機理，通過建立新理論模型和方法可靠預言合成超重元素的最佳反應能量，基于機器學習方法研究超重新核素和新元素的衰變模式，為沖擊“中國元素”貢獻中大力量。

　　為什么要合成新核素？新核素乃至新元素合成屬于面向世界科技前沿的基礎研究，其主要的意義在于認識自然規律，也可以間接帶來重要應用和社會價值，總結為如下幾點：

　　1、建立原子核“標準模型”。原子核是一個由強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用共同支配的量子多體體系。要充分理解和描述這一體系，需要對相互作用和多體方法充分理解，可惜目前人類對此二者的認識還不足夠清晰。這兩者也密切相關，采用的多體方法不同，所需的相互作用也不同。原子核不是基本粒子，其規律的理解屬于有效理論，較為復雜，各個模型之間形成共識也較為困難。近年來所發現的新核素都遠離穩定線，不斷拓展原子核存在的邊界，研究這些極端缺質子和缺中子情況下原子核的性質有助于把原子核規律從穩定線的一條“線”推廣到整個核素圖的“面”，更全面認識原子核。合成新核素甚至新元素，研究其結構、衰變和反應性質，探索相互作用與殼層結構等重要性質之間的關系，是一步步通向原子核終極規律的必由之路。

　　2、回答宇宙中元素和核素的數量、新的穩定或長壽命元素和核素的存在性、宇宙中的元素和核素的產生與演化方式這些重要科學問題。認識原子核規律的一個重要目的就是回答這些問題，按目前的理論知識，對于有多少元素和多少核素、這些元素和核素的衰變模式和壽命估計、宇宙核合成和演化的路徑和方式的描述還有較大的不確定度，只有不斷探索新核素和新元素，完善對規律的理解，才能最終回答這些科學問題。

　　3、帶動整體核能、核技術及相關研究和應用水平提升。核產業是一個巨大的產業，無論是追趕世界先進水平還是進一步研發升級，都需要對其上游的原子核基本原理和規律充分認識和理解，并在認識和理解的過程中得到技術提升。新型核能系統，如快堆、空間堆、聚變堆、釷基熔鹽堆、加速器驅動的次臨界系統等，都對核數據有更高的需求，重離子治癌、放射性藥物生產等科技在生命健康領域的應用需要裝置研發、生產和運行以及相關的人才培養，中微子質量和粒子類型等性質、暗物質和暗能量探測等物質前沿探索都需要核規律和技術。新核素合成和原子核規律的認識都有助于以上研究和應用的開展。

　　4、帶來積極的社會效應和民族自豪感。新核素、新元素合成面臨著激烈的國際競爭。美國新一代基礎核科學研究裝置——稀有同位素束流裝置（Facility for Rare Isotope Beams，FRIB）耗資近10億美元，其新核素合成的首次工作一次性發現了5個新核素，與本文所討論的工作同期發表于《物理評論快報》，同時入選編輯推薦和物理亮點。Physics雜志對這一工作的報道中稱，5個新核素僅僅是一個開始（Five New Isotopes Is Just the Beginning）。日本理化學研究所的放射性同位素束流工廠（Radioactive Isotope Beam Factory，RIBF）建成后，人類首次在一個年度發現超過100個新核素，RIBF也合成了日本乃至亞洲第一個新元素“日本元素（113號?元素，Nihonium）”。RIBF所在的和光市，將前112個元素的標志依次貼在從火車站到研究所門口的道路上，剛好在研究所門口達到第113號元素，對民眾和社會有巨大的鼓舞作用。我們國家還沒有合成過新元素，我國科研團隊正在聯合沖擊中國元素，希望能把五星紅旗插到元素周期表上。

　　合成鋨-160、鎢-156有什么重要性？當質子數或中子數為2、8、20、28、50、82，以及中子數為126等“幻數”時，原子核具有較高的穩定性。這些幻數所揭示的殼層結構是理解原子核量子多體體系的基石。質子數和中子數相等且都為幻數的原子核被稱為自共軛雙幻核，如宇宙中豐度較高的氦-4、氧-16、鈣-40等穩定核素。由于質子間存在電磁相互作用，當質子數較多時，自共軛雙幻核不再穩定，如鎳-56、錫-100等，但基于強相互作用的殼層結構仍然存在。目前，尚無實驗證實最重自共軛雙幻核鉛-164存在殼層結構。這兩個新核素的發現揭示了鉛-164的殼層結構的存在可能，有多個重要的意義，總結如下：

　　1、拓展了原子核版圖，鋨-160和鎢-156是目前距離自共軛雙幻核鉛-164最近的兩個核素。每個新核素的發現都是對原子核版圖的擴充，人類對原子核的認識也遵循著從量變到質變的規律，每個新核素的發現和研究，都是重要的。鋨-160、鎢-156這兩個核素的質子數和中子數為（76，84）和（74，82），在核素圖上與自共軛雙幻核鉛-164（82，82）的距離為8個核子，是目前發現的離鉛-164最近的兩個核素，從而引發了其性質從量變到質變的轉化。

　　2、通過新核素鋨-160的α衰變性質測量，揭示了鉛-164的殼層結構。α粒子由一對質子和一對中子組成，α衰變是原子核重要的衰變模式之一，也是原子核結構性質的靈敏探針。在部分原子核的基態或激發態中，由于α衰變能較大，核中相對自由的一對價質子和一對價中子，有幾率形成一個α粒子，并通過量子隧穿效應衰變。原子核的質子或中子越接近幻數，其價質子或價中子的自由度越小，越難以形成α粒子，導致最終觀測到的α粒子隧穿幾率下降。偶偶核由于其母核和子核基態的自旋宇稱都為0+態，不存在阻礙衰變的角動量、宇稱等因素，最適合研究這一現象。沿著中子數為84的同中素向質子數為82的鉛同位素逼近，偶偶核的α衰變幾率到鎢-158一直較為平緩，而在鋨-160處突然下降，清晰地揭示了鉛-164殼層結構帶來的殼效應。釙同位素（質子數為84）向著中子數為126幻數逼近鉛-208雙幻核時，偶偶核的α衰變幾率也表現出極為類似的殼效應增強。

　　3、引發了一個重要問題：鉛-164或者其附近是否可能存在束縛或準束縛區域。在目前的理論預言中，鉛-164已經越過質子滴線很遠，滴線指原子核的質子或中子不再束縛，會直接跑出去，也就是說人類無法得到一個束縛的鉛-164。本文所揭示的鉛-164殼層結構及其殼效應的增強，可能導致盡管鉛-164在質子滴線外很遠，但仍有可能形成一個束縛或者準束縛的原子核。即使它本身不束縛，其殼效應也可能帶來目前理論所預言的滴線以外的一個束縛或準束縛的區域。當然，這都需要更多、更深入的研究來探索。

　　4、使我國的新核素研究進入一個新的核區。這是我國科學家首次在中子數為82區域附近合成缺中子核素，新核素和新元素的研究極其困難，通過大型加速器加速子彈核轟擊靶核，由于產生概率非常小，新核素往往要很多天才能合成出一個，新元素合成更是以年為單位。合成之后，還需要專門的裝置將目標核素分離，并鑒別它確實是目標核素，最終測量性質。實驗全流程的每一個環節都很重要，不然即使合成出來了卻鑒別不出來，那也是白費功夫。能夠將新核素研究拓展到新的核區，展現了我國在該領域整體研究水平的重要提升。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.072502

Physics報道鏈接：

https://physics.aps.org/articles/v17/s22

央視新聞報道：

https://news.cctv.com/2024/02/19/ARTIo1iKhSVqGU7ji36ej2Xq240219.shtml

科技日報報道：

https://mp.weixin.qq.com/s/j_zNN10LGxC9WsOA5b713Q