科学家们在放射性镧同位素中发现了一种意外的核能跃迁，这对现有的模型提出了挑战，并对天体物理学研究产生了影响。

芬兰于韦斯屈莱大学加速器实验室的研究人员精确测量了放射性镧同位素的原子质量，揭示了它们核结合能中的一个意外特征。这一发现为理解宇宙中比铁更重的元素的形成提供了关键数据，并促使人们进一步研究导致这一异常的潜在核结构。

富中子放射性原子核的核结合能在模拟宇宙中重元素起源的模型中起着关键作用。研究人员利用离子引导在线同位素分离（IGISOL）装置，成功合成了短寿命的富中子镧同位素。由于这些同位素的半衰期极短，因此对其进行研究极具挑战性，而此次精确测量质量便是一项重大成就。

“得益于高灵敏度的相位成像离子回旋共振技术，我们使用JYFLTRAP彭宁阱质谱仪，以非常高的精度测定了六种镧同位素的质量。其中，最奇异的两种同位素镧-152和镧-153的质量是首次被测定的，”来自于于韦斯屈莱大学的安努·坎卡伊宁教授说道，她作为欧洲研究委员会“新概念与发现”项目（MAIDEN）的一部分，领导了这项研究。

中子星碰撞中观察到的现象

利用高精度质量测量研究了镧系同位素的中子分离能。中子分离能是指从给定同位素原子核中去除一个中子所需的能量。

“它提供了有关原子核结构的信息，并且是计算天体物理中子捕获率不可或缺的要素，对于在中子星合并（如GW170817合并的千新星观测所示）中发生的快速中子捕获（r）过程来说尤其如此，”坎卡宁解释道。

科学家的屏幕上出现了一个不明的“隆起物”

在这项工作中，研究人员测定了镧系同位素的二中子分离能，并发现当中子数从92增加到93时，数值中出现了一个强烈的局部增加，即“凸起”。这个观察到的凸起是独一无二的，有待进一步研究。

“在我进行大数据分析并计算出双中子分离能后，我惊讶地发现了这一特征。目前的核质量模型都无法解释它。有迹象表明，它可能是由这些同位素核结构的突然变化引起的，但这还需要通过激光或核光谱学等辅助方法进行进一步研究，”来自于于韦斯屈莱大学的博士生亚瑟·贾里斯说道，他将于六月于物理系进行博士论文答辩。

应建立理论模型

新的精确质量值使计算得出的天体物理中子捕获反应速率变化高达约35%，在极端情况下，甚至将与质量相关的不确定性降低了80倍。

“这些提高的反应速率对于解决r过程中稀土丰度峰的形成至关重要。更重要的是，测量结果表明，当前天体物理模型中所使用的核质量模型无法预测该特征，因此未来需要对其进行进一步开发。”坎卡宁说道。

参考文献：A. Jaries、M. Stryjczyk、A. Kankainen、T. Eronen、O. Beliuskina、T. Dickel、M. Flayol、Z. Ge、M. Hukkanen、M. Mougeot、S. Nikas、I. Pohjalainen、A. Raggio、M. Reponen、J. Ruotsalainen和V. Virtanen于2025年1月27日在《物理评论快报》上发表的“高精度质谱揭示富中子镧系同位素两中子分离能显著凸起”。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.042501