由美国田纳西大学诺克斯维尔分校和日本理化学研究所放射性同位素束流工厂牵头的国际研究团队宣布，物理学家首次测量到了碲-104的α衰变。这一结果有望帮助研究人员进一步理解α粒子如何在原子核内部形成，而这正是核科学中长期未被充分解释的问题之一。
α放射性已被发现超过125年。所谓α衰变，是指原子核发射α粒子的过程;α粒子本质上是由两个质子和两个中子组成的氦核。按照现有认识，α粒子会通过量子隧穿效应穿过原子核周围的能垒，从而离开原子核。田纳西大学诺克斯维尔分校研究负责人Robert Grzywacz表示，这一模型能够较好解释放射性原子核的寿命，但仍留下一个关键疑问：α粒子在离开原子核前，究竟怎样在核内“预先形成”。
碲-104被认为是研究这一问题的理想对象。理论预测，在所有重核中，碲-104的α粒子预形成概率最高。Grzywacz解释说，从理论上看，重核内部物质分布通常较为均匀，预形成过程不应出现显著增强，因此核内可能存在某种额外机制，使α粒子在局部聚集并形成团簇。
这项实验在日本理化学研究所的加速器设施中完成。研究人员利用由四台耦合回旋加速器组成的装置，将氙-124束流加速后轰击铍靶，碰撞产生氙-108;随后氙-108衰变生成碲-104，碲-104再衰变为锡-100。由于碲-104只能在氙-108衰变过程中被观测到，而氙-108在实验室中制备难度很高，这也使测量工作极具挑战。
研究团队最终成功捕捉到碲-104在极短时间内连续释放的α粒子脉冲，并测得其半衰期为7.2纳秒。这是目前已知重核通过发射α粒子发生α衰变的最短半衰期。研究人员还通过“约化宽度”参数对量子隧穿效应进行修正，将隧穿过程与原子核内部α粒子发射的固有过程区分开来。结果显示，碲-104核内α粒子的预形成概率明显高于理论计算预期。
Grzywacz表示，碲-104可能表现出“超允许”α衰变特征。这一设想早在60多年前就已提出，但此前始终缺乏实验观测。他介绍，团队20多年前便开始在美国橡树岭国家实验室以及日本原子能研究开发机构寻找这种衰变信号。2018年，研究人员向理化学研究所提出相关实验计划，后来受新冠疫情影响，于2022年重新提交申请。该实验被列为“极高优先级”项目，并于2024年6月实施。
这项研究成果已发表在《自然》杂志上。Grzywacz认为，相关发现将推动理论模型改进，帮助解释核团簇在原子核中形成的位置与机制。目前已有300多种原子核通过发射α粒子衰变，其中包括几乎所有重要的超重核。研究团队下一步计划更精确地测量α粒子能量，以便对观测到的α粒子预形成过程给出更严格的约束。
