莫斯科和鎳：FIONA 測量兩種超重元素的質量數

由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）核物理學家領導的團隊首次直接測量了兩種超重元素的原子核質量數：莫斯科（115 號元素）和鎳（113 號元素）。

他們使用 FIONA 獲得了結果，FIONA 是伯克利實驗室的一種新工具，旨在解析最重元素的核和原子特性。結果詳見 11 月 28 日版的《物理評論快報雜誌。

FIONA 是一個縮寫詞，意思是：“核素 A 的識別”，其中“A”代表元素質量數的科學符號，即原子核中質子和中子的總數。質子帶正電，質子數也稱為原子序數；中子帶中性電荷。超重元素是人造元素，其原子序數比天然元素更高。

全球對大眾數量的熱潮

自 2018 年初 FIONA 調試結束以來，收集和驗證 FIONA 的第一批數據一直是實驗室 88 英寸迴旋加速器和核科學部門的首要任務。迴旋加速器工作人員與來訪科學家和內部科學家合作，進行了 FIONA 的首次實驗，該實驗持續了五週。

“看到 FIONA 上線真是令人興奮，因為確定大量的信息極其重要。”，核科學部主任芭芭拉·雅卡克（Barbara Jacak）說。“到目前為止，大規模任務都是通過間接證據而不是直接測量來進行的。 ”

伯克利實驗室核科學部門的科學家傑基·蓋茨（Jackie Gates）在 FIONA 的概念、建造和測試中發揮了主導作用，並領導 FIONA 的質量數測定工作，她說：“人們對超重質量數的實驗測量非常感興趣。”

蓋茨補充說，這種測量超重元素質量數的努力引起了全球的興趣，阿貢國家實驗室和日本核研究計劃的團隊也使用略有不同的方法或工具對超重元素進行質量測量。

阿貢國家實驗室的高級科學家 Guy Savard 為 FIONA 設計、建造並貢獻了多個組件。他還協助 FIONA 的調試及其首次科學活動。

伯克利實驗室核科學部的高級科學家羅德里克·克拉克（Roderick Clark）說：“每個人都在這場盛大的競賽中聚集在一起。這可以開闢這些重和超重樣本的整個物理範圍，”以及對這些奇異元素的結構和化學的新研究，以及對它們如何與其他元素結合的更深入的了解。

克拉克說：“如果我們能夠測量其中一種超重元素的質量，就可以確定整個區域。”

重元素研究新篇章

超重元素的質量數和原子序數（或“Z”）（原子核中質子總數的度量）依賴於核質量模型的準確性。伯克利實驗室核科學部門最近退休的高級科學家肯·格雷戈里奇（Ken Gregorich）指出，因此，有一種可靠的方法通過實驗來測量這些數字，以防模型出現問題，這一點很重要。他與蓋茨密切合作，建造並委託了 FIONA。

他說，例如，超重元素可能會表現出意想不到的核形狀或質子和中子密度，而這些在模型中並未得到考慮。

伯克利實驗室為重元素研究領域做出了巨大貢獻：實驗室科學家在元素週期表中 16 種元素的發現（可追溯到 1940 年镎的合成）中發揮了重要作用，並且還提供了數百種同位素鑑定。同位素是不同形式的元素，它們具有相同數量的質子，但原子核中具有不同數量的中子。

FIONA（參見相關文章）是 Berkeley 充氣分離器 (BGS) 的附加組件。幾十年來，BGS 已將重元素與其他類型的帶電粒子分離，這些粒子可能在實驗中充當不必要的“噪音”。 FIONA 旨在捕獲和冷卻單個原子，根據其質量和電荷特性將它們分離，並在 20 毫秒（即千分之二秒）的時間內將它們傳送到低噪聲探測器站。

“一天一個原子”

格雷戈里奇指出，“我們每天可以製造一個原子，無論給予還是獲取”一種所需的超重元素。在其早期運行中，FIONA 的具體任務是捕獲單個莫斯科原子。 “我們大約有 14% 的機會捕獲每個原子，”他補充道。因此研究人員希望每週能夠測量一次莫斯科的質量數。

莫斯科元素是由美國和俄羅斯聯合團隊於 2015 年在俄羅斯發現的，其中包括來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家，而釔的發現歸功於日本團隊於 2004 年發現的元素。元素名稱於 2016 年正式獲得批准。

為了生產莫斯科，88 英寸迴旋加速器的科學家們用稀有同位素鈣 48 產生的粒子束轟擊了由镅組成的目標，镅是伯克利實驗室的 Glenn T. Seaborg 等人於 1944 年發現的一種元素的同位素。所需的半克鈣 48 由美國能源部同位素計劃提供。

FIONA 捕獲和測量的每個原子都有一個獨特的循環特徵——有點像自行車向前滾動時觀察自行車輪胎上的固定點。這種循環行為的軌跡與原子“質荷比”有關——探測器中測量的能量信號的時間和位置告訴科學家質量數。

理想情況下，測量包括粒子衰變鏈中的幾個步驟：莫斯科的半衰期約為 160 毫秒，這意味著原子每 160 毫秒就有 50% 的機會衰變成衰變鏈中稱為“子元素”的另一種元素。在這個衰變鏈的幾個步驟中捕獲其能量特徵可以確認哪個母原子開始了這個級聯。

“多年來，我們一直在努力確定質量數和質子數，”伯克利實驗室核科學部門的高級科學家、負責該部門低能項目的保羅·法倫說。他指出，探測器的靈敏度穩步提高，並且能夠將單個原子與其他噪聲隔離開來。 “現在，我們有了第一個明確的測量結果。”

確認113號元素和115號元素的質量數

在 FIONA 的第一次科學研究中，研究人員發現了一個莫斯科原子及其相關的衰變子體，以及一個鎳原子及其衰變子體。原子和衰變鏈的測量證實了這兩種元素的預測質量數。

雖然研究人員一直只是尋求創建和測量莫斯科原子的性質，但他們也能夠在莫斯科原子在到達 FIONA 之前衰變成锎之後確認對锎的測量。

“第一次測量的成功令人難以置信，”參與 FIONA 委託實驗的博士後研究員 Jennifer Pore 說道。 “FIONA 的獨特能力引發了超重型的新復興88 英寸迴旋加速器的研究。 ”

Gregorich 讚揚了 88 英寸迴旋加速器工作人員（包括機械、電氣、操作和控制系統專家）的努力，他們在最初為期五週的科學運行中最大限度地延長了 FIONA 實驗時間。

他特別提到了 BGS 和 FIONA 小組其他成員的特別貢獻，其中包括參與 FIONA 構建和測試的前項目科學家 Greg Pang； Jeff Kwarsick，一名研究生，其博士學位。論文重點關注 FIONA 結果；尼克·埃斯克（Nick Esker），一名前研究生，其博士學位。工作重點是FIONA 採用分離器技術。

計劃進行新的測量並添加“SHEDevil”

法倫說，計劃在未來六個月內對 FIONA 進行另一次科學運行，在此期間，核物理研究人員可能會對莫斯科和锎或其他超重元素進行新一輪的測量。

還計劃安裝和測試一種名為“SHEDevil”（用於低統計極限風險的超重元素探測器）的新工具，該工具將幫助科學家通過檢測超重原子衰變中產生的伽馬射線來了解超重原子核的形狀。這些伽馬射線將為原子核中中子和質子的排列提供線索。