用電子散射實驗探測不穩定原子核

核反應會產生各種短命的人工同位素。探它們的樣貌一直以來都是項巨大挑戰。

原子核的插圖通常看起來有點像一台只供應兩種口味的口香糖球機，兩種口香糖（質子和中子）均勻的混合成一個緊密的球形團塊。但這通常並不是原子核的真實外觀。舉例來說，中子數量眾多的鉛-208原子核就有一層厚厚的中子包裹著富含質子的核心（參見《今日物理》2021年7月第12頁）。有些原子核是扁平的，有些是長形的。甚至有些呈現梨形。

原子核越不穩定，它的結構可能就越奇異。短命的原子核可能形成中心空洞的泡沫結構，或者可能有一兩個價核子在緊密中央核心的周圍環繞（參見Filomena Nunes在《今日物理》2021年5月第34頁的文章）。然而，令人沮喪的是，這些奇特的結構很難在實驗上證實，因為用於探測原子核結構的黃金標準——電子散射——對於短命的原子核是無法使用的。

不過，這種情況可能很快就會改觀。任職於日本和光市理化學研究所的放射性同位素束製造所（Radioactive Isotope Beam Factory，RIBF 日文:RIビームファクトリー）的塚田曉（Kyo Tsukada）及同事已經在即時生成的不穩定原子核上進行了首次次電子散射實驗[1]。他們選擇的同位素是銫-137，半衰期為30年。研究人員並沒有預期或找到有關其結構的任何異常之處。但是，他們使用的實驗技術適用於更短命的原子核，因此更多的實驗正在進行中。

後向散射

透過粒子散射來探測原子核已有很長的歷史，甚至可以追溯到原子核的發現，即1911年拉塞福和同事(其實是助手蓋格與學生馬斯登)向金箔發射阿爾法粒子的時候。大多數阿爾法粒子直接穿透而過，但出乎意料的是，有一些粒子被大角度散射，甚至有些直接反彈回來。拉塞福推論這種情況發生的唯一可能就是大部分的原子質量都集中在一個小的看似不可思議的體積內。

阿爾法粒子本身就是核，因此它們對原子核結構是相當粗的探針。當一個阿爾法粒子撞擊一個較大的核時，它會擾動質子和中子的排列。我們現在知道質子和中子由更小的夸克組成，因此核子和核之間的散射交互作用相當複雜，難以建模。

另一方面，電子則是質量很輕、無內部結構的基本粒子。擁有足夠能量的電子幾乎可以直接穿過核，而幾乎不會對其造成干擾。正如羅伯特·霍夫斯塔德特在1950年代發現的，電子對原子核結構而言是近乎完美的探針：通過電子散射角的分佈，可以推導出原子核中電荷的分佈。霍夫斯塔德特的研究於1961年共同獲得了諾貝爾物理學獎（參見《今日物理》1961年12月第68頁）。

霍夫斯塔德特和拉塞福一樣，使用固體金屬箔和其他靜止的塊材樣本作為散射實驗目標。我們很難想像能夠以其他方式進行電子散射。在阿爾法粒子或質子散射實驗中，有一個選項是所謂的逆運動學（inverse kinematics）：反過來將一束較重的原子核射向靜止的氦氣或氫氣標靶中。但是這種方法對於電子散射並不可行。

在RIBF和全球各地越來越多的其他機構（參見《今日物理》2023年6月第21頁），研究人員持續在製備純化的稀有和放射性同位素束，並且使用逆運動學對不穩定短命核進行質子散射實驗。相反的，電子散射的使用一直被侷限在穩定同位素和一些長壽的、自然存量豐富的放射性同位素，如碳-14。

從缺陷成為特色

理化學研究所的研究人員取得這項新成就之前歷經了數十年的努力。自1996年該機構成立以來，對不穩定原子核進行電子散射一直是RIBF的主要目標。自始參與該計畫的論文作者若杉昌德（Masanori Wakasugi）表示：「當時沒有人知道如何實現這一目標。」

一開始，檯面上唯一的想法是打造一組對向的電子束和放射性離子束，將它們對撞在一起。但RIBF是一個迴旋加速器機構，而電子需要在同步輻射儲存環中才能保存。讓不相容的兩束粒子相遇並碰撞是一項技術挑戰，這項挑戰最終證實相當難解且昂貴。

為了尋找更好的想法，若杉昌德和同事從電子儲存環工作人員一直以來的困擾中汲取靈感：電子束在繞行時，負電荷產生的電位會吸引並困住帶有正電荷的離子。「通常，這些離子是環中的殘留氣體產生的，對於環的運行有不好的影響，」 若杉雅德表示，「但我們注意到，如果我們可以用不穩定的核離子取代這些殘留氣體離子，那麼電子散射就可能實現。」

於是，自我侷限放射性同位素離子靶（self-confining radioactive-isotope ion target ，SCRIT）的概念應運而生，由若杉昌德和同事在2004年的一篇論文中提出[2]。電子束本身將離子移動的兩個維度限制住，唯一所需的就是加上一組電極（如圖1所示），將其在第三個方向上固定，並將另一能量較低的原子束引導到SCRIT陷阱中。這個陷阱可以在幾秒鐘內清空並填充新的離子，因此SCRIT可以研究半衰期短至10秒的同位素。

過去的二十年都花在建造、改進和測試必要的儀器上。SCRIT系統的首次測試使用了穩定同位素銫-133和氙-132：研究人員將這些離子集成一束，將它們困在SCRIT陷阱中，並測量它們的電子散射分佈[3]。確認實驗的這些組件運作正常後，他們準備著手測試人工放射性同位素。

圖1。即使是半衰期太短而無法製作成固體靶的放射性離子，仍然可以被困在電子束中。電子束本身固定離子兩個維度的運動；用細金屬線打造的籠子創造出一個電位，將它們在第三維度中固定。（圖片提供：Tetsuya Ohnishi）

電子以外

新實驗的對象是銫-137，在自然銫樣本中並不存在。但它在鈾-235和其他可裂變同位素的核分裂中大量生成。其半衰期為30年，因此能夠穩定存在一定的時間，而且是車諾比和福島第一核電廠附近主要的放射性污染物之一。如果研究人員真的想要，他們也可以製作一個用於常規電子散射實驗的固態銫-137靶。但由於這種同位素可以從鈾裂變產物的離子束中高純度地萃取，它是進行SCRIT實驗概念驗證的理想人選。

為了實現可控的鈾核分裂，塚田和同事將他們的電子束射向一個小型碳化鈾盤。當電子撞擊固體靶時，它們迅速減速，產生大量煞車輻射伽馬射線，進而將鈾核分解。光致核分裂產生了大量同位素，其中包括銫-137。形成僅幾秒後，電離的銫-137原子被提取並裝入SCRIT陷阱，以測量它們的電子散射。

但SCRIT陷阱中不僅有銫-137離子。作為SCRIT技術靈感來源的殘留氣體離子仍然存在，且它們的數量比目標的銫-137原子還多。為了單獨提取銫-137信號，塚田和同事測量了將銫-137離子裝入陷阱和不裝入時的電子散射信號。如果殘留的氣體於兩種情況下相同，他們只需將其減去。

結果如圖2所示。一如預期的是，殘留的氣體離子（主要是氮和氧這類體積較小且分布密集的原子核）將更多的電子散射到高角度，而不是較大但分散的銫-137核。因此，雖然銫-137信號符合預期，但大角度數據點的誤差很大。為了提高測量精度，研究人員將努力理解殘留氣體背景，同時升級他們的同位素分離器，以將更多目標原子裝入SCRIT陷阱。

圖2。銫-137是第一種通過電子散射研究的不穩定人造核素。為了得到圖中粉紅色的銫-137數據，研究人員首先必須測量並減去殘留氣體的背景值，圖中顯示為藍色。理論計算（虛線）符合銫-137信號和殘留氣體背景的數據，不過銫-137的誤差條在大散射角時很大。 （改編自參考文獻1。）

隨著他們不斷改進裝置，塚田和同事將目標轉向一些特定的不穩定同位素。他們特別想研究錫-132，它是十一種已知的雙魔數核（doubly magic nuclei）之一，其質子和中子組成的閉殼層賦予它額外的穩定性防止衰變。錫-132具有82個中子和僅僅50個質子，中子數量多到它仍屬於不穩定，半衰期為40秒，因此對其形狀和電荷分佈的直接測量並不多。「這是SCRIT項目第一階段的目標，」塚田說。

他繼續說：「當前的設施專門用於彈性電子散射，但SCRIT方法可以用於其他應用。」SCRIT創造了一個固定且靜態的不穩定核靶——這是以前從未實現的——它不僅可用於各種散射實驗，還可用於光吸收測量、反應性核碰撞等。理化學研究所的研究人員格外感興趣的是研究兩種不穩定同位素之間的碰撞：一種在離子束中，一種在困在SCRIT陷阱中。

REFERENCES
1.K. Tsukada et al, Phys. Rev. Lett. 131, 092502 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.092502 PubMed
2.M. Wakasugi, T. Suda, Y. Yano, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 532, 216 (2004). https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.06.047
3.T. Suda et al, Phys. Rev. Lett. 102, 102501 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.102501
K. Tsukada et al, Phys. Rev. Lett. 118, 262501 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.262501
4.C. Middleton, Physics Today 74(7), 12 (2021). https://doi.org/10.1063/PT.3.4787
5.F. M. Nunes, Physics Today 74(5), 34 (2021). https://doi.org/10.1063/PT.3.4748
6.Physics Today 14(12), 68 (1961). https://doi.org/10.1063/1.3057297