幾年前，日本的一個物理學家團隊創造出了一個不同尋常且從未曾見過的亞原子粒子。他們在將鈣核粒子流在粒子加速器中一次又一次地撞向金屬圓盤長達數小時之后，找到了夢寐以求的粒子——鈉（Na）。
沒錯，就是鈉。不要被這個熟悉的名字欺騙，這可不是我們在食鹽中能找到的元素。地球上幾乎所有的鈉都是鈉-23，這個數字代表組成其原子核的是11個質子和12個中子。然而，這23個粒子并不包含所有能被成為鈉的物質。嚴格說來，任何質子數為11的原子核都是鈉。畢竟，元素周期表是根據原子核中的質子數來排列元素的，第11號元素就是鈉，這與粒子內部的中子數無關。
這次，物理學家們創造出的是一種含有11個質子、28個中子的鈉原子核。這種鈉-39是已知的鈉的最大質量同位素。它的產量非常小，產生一個鈉-39原子需要8個小時和千萬億次的碰撞，而且它幾乎會在形成之后就立刻解體了。
即便如此，這一結果仍然創造了鈉的同位素的新紀錄，這實則是一些科學家已經嘗試了很久的探索。幾十年來，物理學家們一直在探索元素周期表，以求在物理定律允許的條件下找到每種元素的最重同位素。
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探索自然的極限一直是物理學研究者的一個目標，對稀有同位素的研究就是其中一個例子。對于具有一定質子數量的原子核來說，它能束縛的中子數量是有限的。一旦超過這個極限，原子核便會停止粘合在一起，這一極限被稱為中子滴線。之所以被稱為“滴線”，是因為如果再增加一個中子突破這個極限，那么這個中子就會毫無阻力地溜走。
○ 研究人員繪制了氟（F）和氖（Ne）的最重同位素的中子滴線（綠線）。在此之前，我們只知道元素周期表的前8個元素的中子滴線（粉線)。| 圖片來源：APS / Joan Tycko
長時間以來，在元素周期表的118種已知元素中，科學家只知道其中8種最輕元素的中子滴線。繪制重元素的中子滴線可以讓科學家更好地理解原子核的存在極限。這是一項實驗難度很大的研究，科學家用了近20年的時間才最終確定兩種新的核極限。
在新的測量中，他們在加速器中向鈹（Be）發射了一束鈣-48（Ca）高能粒子束，當射線擊中目標時，鈣原子核分裂成碎片。然后，通過使用一種能根據粒子的質量和電荷來篩選粒子的強大“過濾器”，研究人員找到了同位素。根據已經繪制到氧元素的中子滴線，他們為排在氧元素之后的三種元素找到了迄今為止的最重同位素——氟-31、氖-34，以及鈉-39。
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要證明一個粒子是同類粒子中最重的，僅僅將它創造出來是不夠的，還必須能證明沒有其他更重的同位素物質存在——這是這項探索中最難的部分。因為有這樣一個問題會一直有縈繞：如果我們沒有發現更重的同位素，是因為它不存在，還是因為我們的實驗做得不夠好？
在這項研究中，物理學家們用了數年時間來準備這項實驗。他們升級了加速器的功率，還制造了一個幾乎有足球場大的復雜精妙的粒子過濾器，它使用磁鐵來分離原子核。然后，為了證明有22個中子的氟-31是氟的最重同位素，他們進行了多次的粒子碰撞。根據理論模型的預測，應該會有氟-32和氟-33產生。
在實驗中，他們制造出了4000個氟-31，這是一個非常龐大的數量。假如真的有氟-32存在，那么他們應該能在這樣大的樣本中看到這種同位素。因此，當確定沒有看到比氟-31更重的同位素時，研究團隊幾乎肯定地確認了最重的氟同位素就是氟-31。通過類似的過程，他們確定了氖-34是氖最重的同位素。
但研究團隊并沒有草率地發表官方聲明，他們用了近五年的時間來分析這些結果，直到本周才將結果公布。在最近的《物理評論快報》上，他們證實了氟原子核的極限是22個中子，氖原子核最多可以包含24個中子。而鈉的極限仍舊無法確定，但從這個實驗來看，這個極限至少可以是28個中子。這是20年來，物理學家在中子滴線問題上作出的首次重大突破，他們確定了氟原子和氖原子中可以擁有的最大中子數，并為理論計算模型建立了新的約束條件。
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通過這些實驗，物理學家希望更好地理解自然界中可能與不可能之間的界限。此外，這些測量數據還能幫助天體物理學家研究太空中的一些極端環境，比如中子星。中子星是已經死亡了的恒星坍縮成的核心，它的密度極大，中子星上一茶匙的物質重約10億噸。在中子星的極端條件下，就可以形成在實驗室中制造出的這些奇異的、壽命短暫的原子核。
這些實驗不僅繪制了核素的極限圖像，還挑戰著我們所知道的定義了這些核結構的自然基本力。現在，研究人員希望能夠確認鈉元素的最重同位素。在理想的情況下，物理學家希望能找到元素周期表中所有元素的中子極限。而鈉才僅僅位列118個元素中的第11號。因此，科學家很理性地明白，或許我們很難繪制出所有元素的中子滴線，但即便如此，這種探索也已經把宇宙中那些奇怪、混亂的過程帶到過我們的面前。
參考鏈接：
https://physics.aps.org/articles/v12/126
https://www.wired.com/story/what-makes-an-element-the-frankenstein-of-sodium-holds-clues/
原文標題：20年的極限探索，首次迎來新的突破
來源：原理
編輯：fengyao
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