DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptag036
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Y Shimizu وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات أبحاث الفيزياء النووية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم إجراء بحث عن نظائر غنية بالنيوترونات جديدة تتجاوز الأعداد السحرية لـ Z = 28 و N = 50 باستخدام شعاع $^{238}$U بقدرة 345 MeV/nucleon في مصنع شعاع RI، مركز ريكن نيشينا. استخدمت الأبحاث فاصل BigRIPS جنبًا إلى جنب مع كواشف إشعاع متقدمة لفصل وتحديد النظائر المنتجة بشكل فعال.
لأول مرة، تم ملاحظة وقياس مقاطع الإنتاج لثماني نظائر غنية بالنيوترونات—$^{72}$Cr، $^{74,75}$Mn، $^{77}$Fe، $^{79,80}$Co، $^{85}$Cu، و$^{90}$Ga. تعزز هذه النتيجة المهمة فهمنا للوجود النووي وتضع الأساس لمزيد من التحقيقات في خصائص النوى المتوسطة الكتلة الغنية بالنيوترونات.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الطبيعة المعقدة للنوى الذرية، التي هي أنظمة كمومية تتكون من بروتونات ونيوترونات مرتبطة معًا بواسطة القوة النووية القوية. تتأثر استقرار هذه النوى بعوامل مختلفة، بما في ذلك المكونات التنسورية والتفاعلات من الدرجة الأعلى مثل قوى الثلاثة نيوترونات، التي تؤثر بشكل كبير على خط تسرب النيوترون—الحد الفاصل للنيوترونات المرتبطة في نواة. يبرز المؤلفون التقدمات التجريبية الأخيرة التي أدت إلى اكتشاف نظائر جديدة، مؤكدة وجودها واستقرارها من خلال فواصل الشظايا عند الطاقات المتوسطة والنسبية.
مع التركيز على النظائر الغنية بالنيوترونات جدًا التي تتجاوز النواة السحرية المزدوجة \(^{78}\text{Ni}\)، تحدد الدراسة مرشحين لنوى هالة نيوترونية واحدة، مثل \(^{71}\text{Cr}\)، \(^{73}\text{Cr}\)، \(^{75}\text{Cr}\)، و\(^{77}\text{Fe}\). يُفترض أن ظهور هيكل هالة نيوترونية في هذه النظائر مدفوع بتداخل المدار النيوتروني \(3s_{1/2}\). تؤكد الورقة على الأهمية الفلكية لهذه النظائر، خاصة فيما يتعلق بتخليق العناصر خلال عملية r، التي تحدث أثناء الأحداث الفلكية الانفجارية وتساهم في تشكيل العناصر حول نظائر السيلينيوم. إن التحقيق في هذه النوى الخفيفة أمر حاسم لفهم عملية r والقمم المرتبطة بها، خاصة حول الكتلة \( \sim 80 \).
النتائج
تقدم النتائج المعروضة في هذا القسم تفاصيل الاكتشافات من تحليل تحديد الجسيمات (PID) للنظائر الغنية بالنيوترونات. توضح الشكل 2(أ) رسم PID لنسبة الشحنة إلى الكتلة ($A/q$) مقابل العدد الذري ($Z$) بعد إزالة الخلفية، مما يبرز أن الأحداث المزالة بالكامل (حيث الشحنة $q = Z$) هي السائدة. يكشف التحليل عن دقة مطلقة عالية لـ $A/q$ ($\sigma_{A/q} = 1.7 \times 10^{-3}$) و$Z$ ($\sigma_Z = 0.17$)، مما يسمح بالفصل الفعال للقمم المجاورة عن كثب، على الرغم من أن الأحداث الشبيهة بالهيدروجين (حيث $q = Z – 1$) تُلاحظ بشكل أقل تكرارًا. من الجدير بالذكر أنه تم تحديد ثماني نظائر جديدة—$^{72}$Cr، $^{74,75}$Mn، $^{77}$Fe، $^{79,80}$Co، $^{85}$Cu، و$^{90}$Ga—مع تأكيد مواقعها من خلال القيم الكتلية المتوقعة من تقييم الكتلة الذرية AME2020.
تشير التحليلات الإضافية لمقاطع الإنتاج لهذه النظائر، الموضحة في الشكل 4، إلى انخفاض سلس في مقاطع الإنتاج مع زيادة عدد الكتلة، متسقة مع القياسات السابقة. استخدمت الدراسة كود LISE++ لمحاكاة كفاءة نقل الطيف، مما يكشف أن توقعات نموذج الانشطار الكاشط (AF)، وخاصة نموذج منطقة الطاقة المثارة الثلاثية (3EER)، تتماشى بشكل أقرب مع النتائج التجريبية مقارنة بنموذج محلل النوى القابلة للانشطار الأولية (IFN)، الذي يبالغ في تقدير مقاطع الإنتاج. تؤكد النتائج على أهمية توسيع حدود النظائر الغنية بالنيوترونات لتحسين النماذج النظرية وتعزيز فهم تخليق العناصر خلال عملية r، مع التأكيد أيضًا على الحاجة إلى مزيد من التحقيقات التجريبية لاستكشاف نظائر أكثر غموضًا.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون أهمية انبعاث النيوترونات المتأخرة β في سياق تخليق العناصر خلال عملية r، مؤكدين تأثيرها على ميزانية النيوترونات ونمط الوفرة النهائي للنظائر في منطقة الكتلة حول \(^{78}\text{Ni}\). البحث، جزء من البرنامج التجريبي لتعاون BRIKEN، حدد بنجاح ثماني نظائر جديدة: \(^{72}\text{Cr}\)، \(^{74}\text{Mn}\)، \(^{75}\text{Mn}\)، \(^{77}\text{Fe}\)، \(^{79}\text{Co}\)، \(^{80}\text{Co}\)، \(^{85}\text{Cu}\)، و\(^{90}\text{Ga}\)، بينما تم قياس مقاطع إنتاجها أيضًا. هذه التجربة هي خطوة حاسمة نحو فهم خصائص هذه النوى الغريبة وآثارها الفلكية.
تم إجراء التجربة في مركز ريكن نيشينا باستخدام شعاع \(^{238}\text{U}\) المعجل إلى 345 MeV/nucleon، مع إنتاج النظائر عبر الانشطار أثناء الطيران. سهل فاصل BigRIPS تحديد شظايا الانشطار من خلال عملية فصل من خطوتين، مستخدمًا طرق كشف متقدمة بما في ذلك قياسات زمن الرحلة وفقدان الطاقة. يوضح المؤلفون تقنيات تحديد الجسيمات (PID) واستراتيجيات إزالة الخلفية، التي كانت ضرورية لعزل النظائر الجديدة عن الضوضاء الخلفية. تشير النتائج إلى أنه بينما يتماشى نموذج 3EER التجريبي بشكل جيد مع البيانات الملاحظة، فإنه يقلل من تقديرات بعض النظائر، مما يبرز الحاجة إلى نماذج محسنة ومزيد من التحقق التجريبي. بشكل عام، يعزز هذا العمل فهم النظائر الغنية بالنيوترونات ودورها في الفيزياء النووية والفلكية.
DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptag036
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Y Shimizu et al.
Primary Topic: Nuclear physics research studies
Overview
In this study, a search for new neutron-rich isotopes beyond the magic numbers of Z = 28 and N = 50 was conducted using a 345 MeV/nucleon $^{238}$U beam at the RI Beam Factory, RIKEN Nishina Center. The research employed the BigRIPS separator along with advanced radiation detectors to effectively separate and identify the produced isotopes.
For the first time, the production cross sections of eight neutron-rich isotopes—$^{72}$Cr, $^{74,75}$Mn, $^{77}$Fe, $^{79,80}$Co, $^{85}$Cu, and $^{90}$Ga—were observed and quantified. This significant finding enhances our understanding of nuclear existence and lays the groundwork for further investigations into the properties of neutron-rich medium-mass nuclei.
Introduction
The introduction of the paper discusses the intricate nature of atomic nuclei, which are quantum systems made up of protons and neutrons held together by the strong nuclear force. The stability of these nuclei is influenced by various factors, including tensor components and higher-order interactions such as three-nucleon forces, which significantly affect the neutron drip line—the threshold for bound neutrons in a nucleus. The authors highlight recent experimental advancements that have led to the discovery of new isotopes, confirming their existence and stability through fragment separators at intermediate and relativistic energies.
Focusing on very neutron-rich isotopes beyond the doubly magic nucleus \(^{78}\text{Ni}\), the study identifies candidates for one-neutron halo nuclei, such as \(^{71}\text{Cr}\), \(^{73}\text{Cr}\), \(^{75}\text{Cr}\), and \(^{77}\text{Fe}\). The emergence of a neutron-halo structure in these isotopes is theorized to be driven by the intrusion of the neutron \(3s_{1/2}\) orbital. The paper emphasizes the astrophysical relevance of these isotopes, particularly in relation to r-process nucleosynthesis, which occurs during explosive astrophysical events and contributes to the formation of elements around selenium isotopes. The investigation of these light nuclei is crucial for understanding the r-process and its associated abundance peaks, particularly around mass \( \sim 80 \).
Results
The results presented in this section detail the findings from the particle identification (PID) analysis of neutron-rich isotopes. Figure 2(a) illustrates the PID plot of charge-to-mass ratio ($A/q$) versus atomic number ($Z$) after background removal, highlighting that fully stripped events (where charge $q = Z$) are predominant. The analysis reveals a high absolute resolution for $A/q$ ($\sigma_{A/q} = 1.7 \times 10^{-3}$) and $Z$ ($\sigma_Z = 0.17$), which allows for the effective separation of closely neighboring peaks, although hydrogen-like events (where $q = Z – 1$) are less frequently observed. Notably, eight new isotopes—$^{72}$Cr, $^{74,75}$Mn, $^{77}$Fe, $^{79,80}$Co, $^{85}$Cu, and $^{90}$Ga—were identified, with their locations corroborated by expected mass values from the AME2020 atomic mass evaluation.
Further analysis of the production cross sections for these isotopes, shown in Figure 4, indicates a smooth decrease in cross sections with increasing mass number, consistent with previous measurements. The study employed the LISE++ code for simulating spectrometer transmission efficiency, revealing that the abrasion fission (AF) model predictions, particularly the three excitation-energy region (3EER) model, align more closely with experimental results compared to the initial fissile nuclei (IFN) analyzer model, which overestimates cross sections. The findings underscore the importance of extending the neutron-rich isotopic frontier to refine theoretical models and enhance understanding of r-process nucleosynthesis, while also emphasizing the need for further experimental investigations to explore more exotic isotopes.
Discussion
In this section, the authors discuss the significance of β-delayed neutron emission in the context of r-process nucleosynthesis, emphasizing its impact on the neutron budget and the final abundance pattern of isotopes in the mass region around \(^{78}\text{Ni}\). The research, part of the BRIKEN Collaboration’s experimental program, successfully identified eight new isotopes: \(^{72}\text{Cr}\), \(^{74}\text{Mn}\), \(^{75}\text{Mn}\), \(^{77}\text{Fe}\), \(^{79}\text{Co}\), \(^{80}\text{Co}\), \(^{85}\text{Cu}\), and \(^{90}\text{Ga}\), while also measuring their production cross sections. This experiment is a crucial step toward understanding the properties of these exotic nuclei and their astrophysical implications.
The experiment was conducted at the RIKEN Nishina Center using a \(^{238}\text{U}\) beam accelerated to 345 MeV/nucleon, with isotopes produced via in-flight fission. The BigRIPS separator facilitated the identification of fission fragments through a two-step separation process, employing advanced detection methods including time-of-flight and energy loss measurements. The authors detail their particle identification (PID) techniques and background removal strategies, which were essential for isolating the new isotopes from background noise. The findings indicate that while the 3EER empirical model aligns well with the observed data, it underestimates predictions for certain isotopes, highlighting the need for improved models and further experimental validation. Overall, this work enhances the understanding of neutron-rich isotopes and their role in nuclear physics and astrophysics.