我国科学家合成新核素锇-160和钨-156，中法核师生作出重要贡献

　　近日，中山大学与中国科学院近代物理研究所、山东大学等单位组成的科研团队首次合成了新核素锇-160、钨-156。2024年2月15日，相关成果作为亮点论文（Highlights）在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表。该工作同时入选编辑推荐（Editors’ Suggestion）和物理亮点（Featured in Physics），并同时被美国物理学会的Physics杂志在线报道。该工作发表后，央视新闻、科技日报等媒体发布了相关新闻报道，并在人民日报、人民网、新华网、中国日报、光明网、学习强国等上百个媒体转载报道。

　　原子核是由质子和中子组成的量子多体系统。不同数量的质子和中子，构成了具有不同性质的原子核，科学家们把它们称为核素。合成和研究新核素，不仅对认识物质结构具有重要意义，而且为理解天体环境的演化提供重要信息，是探索自然奥秘的重要手段。

新核素锇-160和钨-156在核素图上的位置 （图/杨华彬）

　　研究团队依托兰州重离子加速器，利用充气反冲核谱仪SHANS，通过熔合蒸发反应合成了新核素锇-160和钨-156。锇-160（中子数为84）具有α放射性，而钨-156（中子数为82）具有β+衰变的放射性。团队测量了锇-160的α衰变粒子能量、半衰期及钨-156的半衰期等性质。

　　通过系统分析新测量数据和已有数据，研究人员发现当原子序数大于68时，中子数为84、85的同中子素的α粒子预形成概率逐渐变小，揭示了中子数为82的壳效应在缺中子核素中增强的现象。进一步研究认为该效应增强的原因在于不断逼近可能较稳定的双幻核——铅-164 (质子数为82、中子数为82)。本工作首次明确给出了中子数为82的中子壳在缺中子核素一侧的演化情况，使我国的新核素研究进入了一个新的核区。

　　近年来，中山大学在我国新核素合成和冲击新元素方向做出重要贡献，本工作中，借助学校天河二号超级计算机，学校中法核工程与技术学院核数据科学与应用团队使用该团队最新构建的原子核相互作用，在组态相互作用模型框架下揭示这一区域中子壳增强现象，并可深入分析其如何被相互作用影响，袁岑溪副教授与近代物理研究所甘再国研究员、山东大学王守宇教授为共同通讯作者，21届本硕连读毕业生刘梦兰（21级博士）和徐苏扬（现在近代物理研究所攻读博士学位）分别进行主要理论分析和做出实验贡献。

　　新核素的合成和性质测量需要大科学装置完成，新核素性质背后的物理机理分析需要理论模型的帮助。2017年之前，作为原子核的重要模型之一，组态相互作用壳模型几乎未被用于新核素性质分析，主要面临的难点有：1、没有合适的相互作用；2、多体计算复杂度增长的指数墙物理。近些年来，该团队持续构建和优化适合描述新核素的相互作用，探索如何考虑重要的多体关联降低计算规模，成功突破这两个难点，陆续合作完成了8个新核素合成的工作：新核素镎-223（2017年合成），团队理论分析结合实验数据共同建议其自旋宇称为9/2+；新核素铀-214（2021年合成），团队理论分析其α衰变增强来自于质子中子相互作用的增强；新核素镁-18，团队尝试用弱束缚效应解释其能谱（2021年合成）；新核素钍-207（2022年合成），团队用对散射解释其附近区域的α衰变能奇偶效应。

研究团队教师合影

　　中国尚未合成过新元素，我国科学家正准备冲击“中国元素”。目前，学校共合作合成了8个新核素，参与广东省基础与应用基础研究重大项目“超重核素合成及新方法研究”，多次举办研讨会组织讨论新元素合成的条件和其衰变性质，合作研发反冲衰变标记装置鉴别新核素或新元素的伽马衰变谱，揭示新核素镎-223、铀-214、镁-18、钍-207性质背后的物理机理，通过建立新理论模型和方法可靠预言合成超重元素的最佳反应能量，基于机器学习方法研究超重新核素和新元素的衰变模式，为冲击“中国元素”贡献中大力量。

　　为什么要合成新核素？新核素乃至新元素合成属于面向世界科技前沿的基础研究，其主要的意义在于认识自然规律，也可以间接带来重要应用和社会价值，总结为如下几点：

　　1、建立原子核“标准模型”。原子核是一个由强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用共同支配的量子多体体系。要充分理解和描述这一体系，需要对相互作用和多体方法充分理解，可惜目前人类对此二者的认识还不足够清晰。这两者也密切相关，采用的多体方法不同，所需的相互作用也不同。原子核不是基本粒子，其规律的理解属于有效理论，较为复杂，各个模型之间形成共识也较为困难。近年来所发现的新核素都远离稳定线，不断拓展原子核存在的边界，研究这些极端缺质子和缺中子情况下原子核的性质有助于把原子核规律从稳定线的一条“线”推广到整个核素图的“面”，更全面认识原子核。合成新核素甚至新元素，研究其结构、衰变和反应性质，探索相互作用与壳层结构等重要性质之间的关系，是一步步通向原子核终极规律的必由之路。

　　2、回答宇宙中元素和核素的数量、新的稳定或长寿命元素和核素的存在性、宇宙中的元素和核素的产生与演化方式这些重要科学问题。认识原子核规律的一个重要目的就是回答这些问题，按目前的理论知识，对于有多少元素和多少核素、这些元素和核素的衰变模式和寿命估计、宇宙核合成和演化的路径和方式的描述还有较大的不确定度，只有不断探索新核素和新元素，完善对规律的理解，才能最终回答这些科学问题。

　　3、带动整体核能、核技术及相关研究和应用水平提升。核产业是一个巨大的产业，无论是追赶世界先进水平还是进一步研发升级，都需要对其上游的原子核基本原理和规律充分认识和理解，并在认识和理解的过程中得到技术提升。新型核能系统，如快堆、空间堆、聚变堆、钍基熔盐堆、加速器驱动的次临界系统等，都对核数据有更高的需求，重离子治癌、放射性药物生产等科技在生命健康领域的应用需要装置研发、生产和运行以及相关的人才培养，中微子质量和粒子类型等性质、暗物质和暗能量探测等物质前沿探索都需要核规律和技术。新核素合成和原子核规律的认识都有助于以上研究和应用的开展。

　　4、带来积极的社会效应和民族自豪感。新核素、新元素合成面临着激烈的国际竞争。美国新一代基础核科学研究装置——稀有同位素束流装置（Facility for Rare Isotope Beams，FRIB）耗资近10亿美元，其新核素合成的首次工作一次性发现了5个新核素，与本文所讨论的工作同期发表于《物理评论快报》，同时入选编辑推荐和物理亮点。Physics杂志对这一工作的报道中称，5个新核素仅仅是一个开始（Five New Isotopes Is Just the Beginning）。日本理化学研究所的放射性同位素束流工厂（Radioactive Isotope Beam Factory，RIBF）建成后，人类首次在一个年度发现超过100个新核素，RIBF也合成了日本乃至亚洲第一个新元素“日本元素（113号鿭元素，Nihonium）”。RIBF所在的和光市，将前112个元素的标志依次贴在从火车站到研究所门口的道路上，刚好在研究所门口达到第113号元素，对民众和社会有巨大的鼓舞作用。我们国家还没有合成过新元素，我国科研团队正在联合冲击中国元素，希望能把五星红旗插到元素周期表上。

　　合成锇-160、钨-156有什么重要性？当质子数或中子数为2、8、20、28、50、82，以及中子数为126等“幻数”时，原子核具有较高的稳定性。这些幻数所揭示的壳层结构是理解原子核量子多体体系的基石。质子数和中子数相等且都为幻数的原子核被称为自共轭双幻核，如宇宙中丰度较高的氦-4、氧-16、钙-40等稳定核素。由于质子间存在电磁相互作用，当质子数较多时，自共轭双幻核不再稳定，如镍-56、锡-100等，但基于强相互作用的壳层结构仍然存在。目前，尚无实验证实最重自共轭双幻核铅-164存在壳层结构。这两个新核素的发现揭示了铅-164的壳层结构的存在可能，有多个重要的意义，总结如下：

　　1、拓展了原子核版图，锇-160和钨-156是目前距离自共轭双幻核铅-164最近的两个核素。每个新核素的发现都是对原子核版图的扩充，人类对原子核的认识也遵循着从量变到质变的规律，每个新核素的发现和研究，都是重要的。锇-160、钨-156这两个核素的质子数和中子数为（76，84）和（74，82），在核素图上与自共轭双幻核铅-164（82，82）的距离为8个核子，是目前发现的离铅-164最近的两个核素，从而引发了其性质从量变到质变的转化。

　　2、通过新核素锇-160的α衰变性质测量，揭示了铅-164的壳层结构。α粒子由一对质子和一对中子组成，α衰变是原子核重要的衰变模式之一，也是原子核结构性质的灵敏探针。在部分原子核的基态或激发态中，由于α衰变能较大，核中相对自由的一对价质子和一对价中子，有几率形成一个α粒子，并通过量子隧穿效应衰变。原子核的质子或中子越接近幻数，其价质子或价中子的自由度越小，越难以形成α粒子，导致最终观测到的α粒子隧穿几率下降。偶偶核由于其母核和子核基态的自旋宇称都为0+态，不存在阻碍衰变的角动量、宇称等因素，最适合研究这一现象。沿着中子数为84的同中素向质子数为82的铅同位素逼近，偶偶核的α衰变几率到钨-158一直较为平缓，而在锇-160处突然下降，清晰地揭示了铅-164壳层结构带来的壳效应。钋同位素（质子数为84）向着中子数为126幻数逼近铅-208双幻核时，偶偶核的α衰变几率也表现出极为类似的壳效应增强。

　　3、引发了一个重要问题：铅-164或者其附近是否可能存在束缚或准束缚区域。在目前的理论预言中，铅-164已经越过质子滴线很远，滴线指原子核的质子或中子不再束缚，会直接跑出去，也就是说人类无法得到一个束缚的铅-164。本文所揭示的铅-164壳层结构及其壳效应的增强，可能导致尽管铅-164在质子滴线外很远，但仍有可能形成一个束缚或者准束缚的原子核。即使它本身不束缚，其壳效应也可能带来目前理论所预言的滴线以外的一个束缚或准束缚的区域。当然，这都需要更多、更深入的研究来探索。

　　4、使我国的新核素研究进入一个新的核区。这是我国科学家首次在中子数为82区域附近合成缺中子核素，新核素和新元素的研究极其困难，通过大型加速器加速子弹核轰击靶核，由于产生概率非常小，新核素往往要很多天才能合成出一个，新元素合成更是以年为单位。合成之后，还需要专门的装置将目标核素分离，并鉴别它确实是目标核素，最终测量性质。实验全流程的每一个环节都很重要，不然即使合成出来了却鉴别不出来，那也是白费功夫。能够将新核素研究拓展到新的核区，展现了我国在该领域整体研究水平的重要提升。

文章链接：

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

Physics报道链接：

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

央视新闻报道：

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

科技日报报道：

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