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超重核研究综述聚焦“稳定岛”,GANIL S3有望拓展最重元素版图

2026-06-22 09:41          超重核 稳定岛 S3分离器 SPIRAL2 核物理

寻找铅-208之后的下一个壳层闭合位置,也就是常说的“超重核稳定岛”,仍是核物理领域的重要难题。近期一篇综述系统梳理了从原子序数Z=99的锿到Z=118的鿫等20种最重元素的研究进展,覆盖204种已知核素,并汇总了各同位素及同质异能态的主要性质和相关实验文献。

图 1:从锿到达姆施塔特的同位素及其衰变模式(红色:b – /电子俘获 (EC),蓝色:b +,黄色:a,绿色:自发裂变 (SF))。

综述重点关注分离后衰变谱法在超重核研究中的应用。这一方法通过高强度离子束、先进靶系统、高效分离器以及粒子和光子探测装置,追踪反冲核的植入位置和时间,并将其后续α衰变、γ射线、X射线、转换电子等信号关联起来,从而帮助研究人员了解这些极重原子核的低能结构。

图 2:DSAS 和遗传相关性:反冲核被植入位置敏感探测器中。随后,它通过发射衰变为子核,子核再衰变为孙核。除了分离的反应产物外,它们的衰变辐射,即 α 粒子、γ 射线和 X 射线以及转换电子 (CE),也被符合探测。

文章从实验角度讨论了单粒子能级、核形变、壳层间隙、核同质异能以及不同衰变模式之间的竞争等问题。理论研究方面,近期壳模型计算首次用于超重核,并与锘-254的实验结果表现出较好一致性;另有关于最重核β衰变概率的计算显示,在部分超重核区域,β衰变可能具有较强竞争力,但相关实验数据仍然不足。这也为后续实验提供了明确方向。

图 3:壳层修正能量(蓝色阴影)与质子数和中子数的关系。黄色到深红色/黑色分别代表从锿到 ω 的最重原子核的实验半衰期(上图)和发现年份(下图)。预测的闭合壳层用实线表示。变形壳稳定核的壳层间隙用虚线表示。

综述认为,超重元素和超重核研究常常会在一段时间内进展缓慢,但加速器、探测技术和分离方法的提升,往往会带来新的突破。目前,俄罗斯杜布纳联合核子研究所的超重元素工厂、日本理化学研究所升级后的RILAC直线加速器,以及德国GSI/FAIR的HELIAC项目,都在推动这一领域继续向前。

位于法国GANIL的SPIRAL2直线加速器及其新型超级分离器-光谱仪S3,被视为未来超重核研究的重要平台。随着新型注入器NEWGAIN安装后装置能力进一步释放,SPIRAL2结合S3、SIRIUS探测阵列和S3低能分支,将为最重核素鉴定、核谱学研究以及超重元素搜寻提供更强实验条件。研究人员期待,这些新设施能够帮助人们更接近“稳定岛”的真实位置,并进一步理解极端条件下核物质的性质。


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