中国科学院近代物理研究所重离子科学与技术全国重点实验室的科研人员与合作者在多核子转移反应研究中取得新进展。研究发现，“壳效应”对反应产物有着“一正一反”的双向调节作用，这一发现为在实验室中高效合成丰中子核素提供了新思路。相关成果发表于《Physics Letters B》。
金、铂、铅这些我们熟悉的元素，并非在地球上天然形成，它们诞生于宇宙中的极端天体过程，例如两颗中子星的剧烈碰撞。在这一过程中，一类特殊的原子核——中子幻数126附近的丰中子核素扮演着关键角色，它们决定了宇宙中金、铂等重元素的含量。
然而，如何在地面实验室中合成这些稀有原子核，一直是核物理领域的一大难题。传统的熔合蒸发、裂变和弹核碎裂等方法难以有效触及这一丰中子区域。近年来，一种名为“多核子转移反应”的方法备受关注，被认为是目前产生这些稀有原子核最有希望的途径。该反应是指在近距离碰撞过程中，弹核与靶核之间交换多个核子(中子与质子)的一类核反应。
图 多核子转移反应示意图。两个原子核相互靠近(左)、短暂结合并交换核子(中)、相互分离(右)。图| 戴凡超
要想用好“多核子转移反应”这种方法，关键在于搞清楚“壳效应”对反应的影响。原子核内部的核子是分层排布的，就像洋葱一样一圈一圈包裹起来。当各层都恰好填满核子时，原子核就处于一种特别稳定、能量最低的状态。这种由于核子填满壳层而带来的额外稳定性，就是“壳效应”。它能让原子核变得更“结实”，同时也意味着要让它参与反应需要克服更大的阻力。壳效应是影响多核子转移反应动力学的关键因素，但其作用机制尚不完全清楚。
为此，研究人员发展了相关理论模型，系统追踪了壳效应从核子交换到碎片退激全过程的演化，并计算了氙-136分别轰击铅-208、汞-204和汞-208三个靶核的反应率。
结果发现，壳效应的作用是双向的：如果只交换少量核子，壳效应会“推一把”，让反应更容易发生;但如果需要交换大量核子来合成目标产物，壳效应反而会“踩刹车”，强烈抑制反应的进行。这种“踩刹车”的效应，在靶核是铅-208时表现得最为显著。铅-208是一种“双幻核”，它的质子和中子层都恰好填满，就像一副已经拼好的完整拼图，要从中拆下一块非常困难。
基于这一认识，研究团队提出了一个明确的研究策略：要想高效合成这一区域的稀有原子核，应尽量避免使用太过“完美”的原子核作为碰撞对象，转而选择壳效应不那么强的靶核。他们推荐了“用铀-238去撞击汞-204”的实验方案。理论计算表明，该方案可大幅提升铱-203、锇-202等目标原子核的产额，为未来实验提供了清晰的路线图。
图 238U+204Hg所产生的N=126同中子素的预测截面(红色)，与198Pt+136Xe的实验数据(绿色)的对比。图源| Physics Letters B
这项研究不仅揭示了壳效应在多核子转移反应中的双向调节作用，也为在实验室中模拟宇宙重元素的生成过程提供了理论指引。
论文第一作者为近代物理所助理研究员戴凡超，通讯作者为近代物理所徐新星研究员、中国原子能科学研究院温培威副研究员和林承键研究员。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性科技先导专项等项目的支持。
