2022年 5 月，密歇根州立大学 (MSU) 的稀有同位素束设施(FRIB) 启动了其精密测量计划。FRIB 的低能束和离子阱 (LEBIT) 设施的工作人员将 FRIB 产生的高能稀有同位素束冷却至较低能态。之后，研究人员以高精度测量特定粒子的质量。

LEBIT 团队由FRIB 和密歇根州立大学物理与天文系兼职物理学教授兼 FRIB 高级科学家Ryan Ringle和大学杰出物理学教授兼 FRIB 实验系统部主任Georg Bollen领导，最近发表了一篇研究论文，利用该设施向前迈出了验证铝-22 质量的一步。研究人员认为，这种奇异同位素表现出一种罕见但有趣的特性——具体来说，原子核被一个松散地围绕原子核旋转的质子“晕”所包围。这种晕结构在其短暂的存在期间显示出独特的物理特性。

“该项目需要大量额外的光束准备才能进行实验，这是 FRIB 科学项目中的第一次测量，”Ringle 说道。“这项测量不可能在 FRIB 的前身国家超导回旋加速器实验室中在合理的时间内完成，它凸显了我们设施未来的潜力。考虑到这是在 FRIB 功率规格的八十分之一下完成的，这就像是锻炼前的热身。”

研究团队在《物理评论快报》上发表了其研究成果(“质子滴线晕候选体22Al的精确质量测量”)。

捕捉难以捉摸的质子晕

虽然大多数原子的电子都紧紧围绕原子核旋转，但质子和中子是原子核本身的一部分。然而，当原子在某些条件下遇到许多相同的带电粒子时，它们可以形成晕，这些晕围绕原子核旋转，超出了强核力(通常将这些粒子保持在原子核内的力)的拉力。虽然所有晕结构都是罕见的短暂现象，但中子通常被观察为晕粒子。原子核的正电荷通常会排斥质子的正电荷，这意味着由质子组成的晕更为罕见。对附近同位素的测量表明铝-22 可能是可以形成质子晕的同位素，但研究人员需要在其他实验中直接验证这一点。

为了实现这一目标，该团队在 FRIB 上使用一种称为“射弹碎裂”的过程创建了铝-22 的高能同位素束。研究人员从给定元素(在本例中为氩的同位素)的重而稳定的原子核创建光束，然后将光束加速到光速的一半。然后，光束用这些超快速移动的粒子射弹击中目标。这种剧烈的碰撞产生了稀有的短寿命同位素，研究人员可以将它们放入仪器中以过滤出感兴趣的粒子。然后他们降低温度以将它们减速为均匀的光束并准确测量粒子质量。

虽然该团队能够准确测量铝-22 的质量，但这只是验证同位素质子晕结构的一部分。LEBIT 研究人员在FRIB的光束冷却器和激光光谱 (BECOLA) 设施的同事现在计划通过测量电荷半径(原子核周围质子的分布)以及原子核可能从其传统的球形变形的程度，进一步验证质子晕。综合起来，这些测量可以明确证实铝-22 周围存在质子晕结构。

林格尔指出，FRIB 的理论物理学家和实验物理学家之间的合作对于确定铝-22 等稀有同位素周围质子晕的存在等研究起着至关重要的作用。

FRIB 为研究生提供研究机会

Ringle 称赞团队中的学生在推动这项研究方面发挥了关键作用。LEBIT 的一名研究生 Scott Campbell 将这个项目作为其论文的一部分。

“他确实从头到尾负责了这项实验，”Ringle 说。“与我们一起工作的学生确实受益于我们在这个设施拥有的丰富专业知识。没有其他地方的设施像它一样位于大学校园的中心。它允许学生在课间或放学回家前来一两个小时。他们可以兼职在实验室工作，并轻松地将其与上课结合起来。但我们的设施也受益匪浅;我们增加了接触有才华、有上进心的学生的机会。”

坎贝尔本科时在冈萨加大学学习物理和计算机科学。他对来到密歇根州立大学读研究生的前景感到兴奋，这在很大程度上是因为 FRIB 就在校园里，是物理学学生的主要资源。“我对在密歇根州立大学从事核物理研究的前景感到非常兴奋，尤其是在我学习期间 FRIB 正在不断壮大，”他说。“我们可以使用这些一流的设施和优秀的社区，并可以参与核科学的突破性进展。”

坎贝尔还指出，FRIB 不仅提供世界一流的设施，还提供交流机会和像 Ringle 这样的导师。“我们周围都是对你的研究感兴趣并希望帮助你推动科学进步的同事，”他说。

埃里克·格登克(Eric Gedenk)是一名自由科学作家。