博罗梅安戒指被刻在一个意大利家族 15 世纪的盾徽上，并装饰在一座古老的日本神社上，具有强大的象征意义。从三个相连的圆圈中取出一个环，另外两个就会散开。只有当这三者交织在一起时，该结构才能成立。这些环代表了统一、基督教三位一体的概念，甚至还代表了某些奇异的原子核。
锂的一种稀有品种或同位素的核由三个相连的部分组成。Lithium-11 的原子核被分成质子和中子的主簇，两侧有两个中子，在核心周围形成一个光环。取下任何一块，三人组就会解散，就像博罗梅安戒指一样。
不仅如此，锂 11 的原子核非常巨大。尽管质子和中子少了近 200 个，但它的光环很宽，大小与铅核相同。20 世纪 80 年代中期，锂 11 膨胀光环的发现震惊了科学家（SN：88 年 8 月 20 日，第 14 页 124），就像它的博罗米安性质一样。“对此没有任何预测，”东兰辛密歇根州立大学的核理论家菲洛梅娜·努内斯说。“这是那些发现之一，就像‘什么？这是怎么回事？’”
Lith-11 只是原子核变得怪异时发生的情况之一。努内斯说，这样的原子核“具有令人惊叹的特性”。它们可以扭曲成不寻常的形状，例如梨（SN：2013 年 6 月 15 日，第 14 页 14）。或者它们可以被包裹在一层中子外皮中——就像不可食用的核果的果皮一样（SN：21 年 6 月 5 日，第 14 页 5 ）。
一种新工具很快将帮助科学家从原子藤上采摘这些奇特的果实。研究人员正在排队使用密歇根州立大学的粒子加速器来研究一些最稀有的原子核。稀有同位素束设施 (FRIB，发音为“eff-rib”) 将于 2022 年初投入使用，该设施将从原子上剥离电子以形成离子，将其加速到高速，然后将它们撞向目标制造科学家想要研究的特殊原子核。
FRIB 的实验将探索原子核的极限，检查给定原子核中可以塞入多少中子，并研究当原子核偏离日常物质中的稳定构型时会发生什么。科学家们的目标是利用 FRIB 数据拼凑出一个理论来解释所有原子核的特性，甚至是奇怪的原子核。另一个中心目标：确定太空极端环境中产生的化学元素的起源故事。
如果科学家们幸运的话，新的令人兴奋的核谜团，甚至可能比锂 11 更奇怪的谜团将会出现。FRIB 科学主任、核物理学家布拉德·谢里尔 (Brad Sherrill) 表示：“我们将对一个未探索的领域进行新的观察。”“我们认为我们知道会发现什么，但事情不太可能像我们预期的那样。”
好奇光环
Lithium-11 的原子核有一个充满质子和中子的中心，周围有两个中子，形成一个宽阔的光环。如果这三个组件之一被移除，原子核就无法保持束缚，即所谓的博罗米安核。
探索不稳定性
原子核的种类繁多，令人眼花缭乱。科学家们发现了 118 种化学元素，根据其原子核中质子的数量来区分（SN：2019 年 1 月 19 日，第 19 页 18）。这些元素中的每一种都具有多种同位素，即通过改变原子核内中子数量而形成的不同版本的元素。科学家预测存在约 8,000 种已知元素的同位素，但只有约 3,300 种出现在探测器中。研究人员预计 FRIB 将对缺失的同位素产生相当大的影响。它可以识别出 80% 的可能的同位素，包括铀之前的所有元素，其中包括许多以前从未见过的同位素。
最熟悉的原子核是大约 250 种稳定同位素中的原子核：它们不会衰变成其他类型的原子。稳定同位素包括我们呼吸的空气中的氮 14 和氧 16 以及所有已知生物中发现的碳 12。元素名称后面的数字表示原子核中质子和中子的总数。
稳定的原子核具有正确的质子和中子组合。太多或太少的中子都会导致原子核衰变，有时会缓慢地持续数十亿年，有时则仅需几分之一秒（SN：2019 年 3 月 2 日，第 19 页 32）。为了了解这些不稳定的原子核内部发生了什么，科学家们在它们衰变之前对其进行了研究。一般来说，随着质子 - 中子平衡变得越来越不平衡，原子核的稳定性越来越差，它的性质也变得越来越奇怪。
这些奇异的标本测试了科学家原子核理论的极限。虽然给定的理论可能正确地解释接近稳定的原子核，但它可能无法解释更不寻常的原子核。但物理学家想要一种能够解释最不寻常到最平庸的事物的理论。
FRIB 首席科学家、理论核物理学家维托尔德·纳扎雷维奇 (Witold Nazarewicz) 表示：“我们希望了解原子核是如何构建的、如何工作的。”
一个快速剪辑
在 FRIB 中加速离子束就像放牧猫一样。
FRIB 实验室主任托马斯·格拉斯马赫 (Thomas Glasmacher) 表示，一开始，“这只是一群猫”。猫会这样或那样蜿蜒，但如果你能把这群不守规矩的猫推向一个特定的方向——也许你打开一罐猫粮——那么猫就会开始一起移动，尽管它们天生就有徘徊的倾向。“很快，就变成了猫群，”他说。
在 FRIB 的例子中，猫是离子——部分或全部电子被剥夺的原子。电磁力不是猫粮，而是让它们集体移动。
旅程从 FRIB 的两个离子源之一开始，元素在其中汽化和电离。经过一些初始加速以使离子移动后，光束进入线性加速器，这使得粒子真正巡航。直线加速器看起来就像一列按比例缩小的货运列车——一排有 46 个开心果冰淇淋颜色的盒子，每个盒子高约 2.5 米，长度各异。但加速器发出的光束移动速度比满载货物的火车快得多——大约是光速的一半。
在称为低温模块的绿色盒子内，超导腔被冷却到仅几开尔文，略高于绝对零。在这些温度下，空腔可以利用快速振荡的电磁场加速离子。开心果模块链以回形针的形状围绕着设施，这种扭曲是必要的，以便使大约 450 米长的加速器适合容纳它的 150 米长的隧道。
当光束完全加速时，它会撞击石墨靶。这种强烈的撞击将质子和中子从传入离子的原子核中击落，形成新的、更稀有的同位素。然后，科学家想要研究的特定粒子通过磁铁从粒子中分离出来，磁铁根据粒子的质量和电荷重定向粒子。然后，感兴趣的粒子被发送到实验区域，科学家可以在那里使用各种探测器来研究粒子如何衰变，测量它们的特性或确定它们经历的反应。
加快速度
FRIB 的加速器被弯曲成回形针形状，以适应其所在隧道中 450 米长的设备。四十六个低温模块（绿色盒子）包含加速粒子的超导腔。一旦离子被加速，它们就会撞击目标以产生新的同位素。接下来，磁铁会分离出科学家想要研究的特定同位素。
FRIB 光束的能量经过精心选择，用于生产稀有同位素。当原子核与目标碰撞时，过多的能量会将它们炸碎。因此，FRIB 的设计能量不到日内瓦附近欧洲核子研究中心大型强子对撞机的百分之一，该大型强子对撞机是世界上能量最高的加速器。
相反，新加速器的潜力取决于其增强的强度：本质上，它的光束中含有大量的粒子。例如，FRIB 每秒能够将 50 万亿个铀离子撞击到其目标上。因此，它将产生比其前身更强烈的稀有同位素流。
对于相对容易产生的同位素，FRIB 每秒将产生约一万亿个同位素；有很多值得学习的地方。这为研究更难制造的同位素开辟了前景。这些同位素可能每周在 FRIB 中出现一次，但仍然比在较弱的光束中出现的频率要高得多。这就像浴室水压低的情况：“如果只是滴水，你就无法洗澡，”努内斯说，他是支持 FRIB 研究的理论物理学家联盟的领导人之一。现在，“FRIB 将带着消防水龙带进来。”
中子滴落
该消防水龙带还可用于精确定位被称为中子滴线的关键边界。
试图在原子核中塞入太多的中子，它几乎会立即衰变并吐出一个中子。想象一下一只贪婪的花栗鼠，它的脸颊上塞满了坚果，当它试图再塞进去一颗坚果时，另一颗坚果就会立刻弹出来。原子核以这种方式衰变的阈值标志着束缚原子核的最终极限。在已知元素及其同位素的图表上，该边界描绘出一条线，即中子滴线。到目前为止，科学家最多可以通过元素周期表中的第 10 个元素氖来了解这一关键分界线的位置。
加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的核物理学家希瑟·克劳福德 (Heather Crawford) 表示：“FRIB 将是唯一一种能够更重、更远地定义滴水线的方法。”FRIB 有望确定第 30 号元素锌的中子滴线，甚至可能更远。
核限制
科学家发现了大量化学元素的同位素（绿色）。FRIB 有望在预测的同位素（金）的全部范围内找到新的同位素（绿松石）。中子滴线，即彩色区域的底部边缘，标志着原子核的界限，但科学家们并不知道它到底在哪里。
同位素景观
在滴水线附近，中子的数量大大超过质子，原子核变得特别奇怪。Lithium-11 具有宽敞的光环，位于滴灌线旁边。克劳福德专注于接近滴水线的镁同位素。最常见的稳定镁同位素有 12 个质子和 12 个中子。克劳福德的主要目标镁 40 的原子核中有 12 个质子和两倍以上的中子数量（28 个）。
“这已经达到了存在的极限，”克劳福德说。在那里，预测原子核性质的理论不再可靠。理论物理学家不能总是确定这个领域中给定核的大小和形状，甚至不能确定它是否符合束缚核的条件。当预测需要多少能量才能将原子核撞到各种高能状态时，给定的理论也可能会失败。这些能级的间距充当原子核的一种指纹，对原子核的形状和其他属性的细节高度敏感。
Crawford 及其同事于 2019 年在《2019 年》杂志上报告称，果然，magnesium-40 的表现出人意料。 物理评论快报 。虽然理论预测其能量水平将与中子稍少的镁同位素的能量水平相匹配，但 Mag-40 的能量水平明显低于其邻居。
八月，克劳福德得知她将成为第一批使用 FRIB 的科学家之一。她和同事提出的两个实验被选入 FRIB 头两年进行的约 30 个实验的第一轮。她将仔细研究镁 40，镁 40 与锂 11 一样，具有博罗米安核。克劳福德现在的目标是确定她选择的同位素是否也有晕核。这是 Magnesium-40 奇怪现象的一种可能解释。尽管带光环的原子核早已为人所知，但理论仍然无法可靠地预测哪些原子核将带有光环。了解 Mg-40 可以帮助科学家加强对原子核中子装饰的计算。
核心可能性
不稳定的镁 40 的原子核比更常见的稳定的镁 24 具有更多的中子（蓝色），尽管两者具有相同数量的质子（红色）。科学家们想知道 Magnesium-40 是否有一个典型的原子核，或者一个带有大中子晕的原子核。
镁 24
标准镁 40
镁 40 带光环
元素起源
物理学家希望能够像引擎盖下的力学一样进行探索，以了解使宇宙运转的宇宙核反应。“核物理就像跑车的发动机。发动机中发生的情况决定了汽车的性能。”印第安纳州圣母大学的核物理学家阿尼·阿普拉哈米安 (Ani Aprahamian) 说道。
由该引擎提供动力的宇宙对于原子核来说可能是一个暴力的地方，不时会发生剧烈的恒星爆炸和极端条件，包括物质因重力的作用而挤进超紧密的空间。这些环境产生了不同于地球上常见的核物理奇迹。FRIB 将让科学家们一睹其中一些过程。
例如，物理学家认为某些富含中子的环境是煮宇宙中许多化学元素的大锅。这种宇宙联系让核物理学家朱莉·西泽夫斯基 (Jolie Cizewski) 实现了儿时的梦想。
西泽夫斯基说，当她还是个小女孩时，她就迷上了天文学。“我决定要成为一名天文学家，这样我就可以进入太空。”她似乎从童年的痴迷中转向了左转。她从未进入轨道，也没有成为一名天文学家。
但那个童年梦想的回声现在成为了她研究的基础。她很快将不再用望远镜观察星星，而是使用 FRIB 来揭示宇宙的秘密。
新泽西州新不伦瑞克州罗格斯大学的西泽夫斯基正在努力揭示宇宙核反应的细节，这些核反应导致了我们周围的原子核。“我试图了解这些元素，特别是那些比铁重的元素，是如何合成的，”她说。
我们周围以及我们体内的许多元素都是在恒星内部形成的。随着大恒星的老化，它们在核心中逐渐将更大的原子核融合在一起，产生元素周期表中更远的元素——氧、碳、氖等。但这个过程在铁上停止了。其余的元素必须以另一种方式诞生。
自然界中发现的许多其他元素是由一种称为快速中子捕获过程或 r 过程的过程产生的。在 r 过程中，原子核迅速吸收中子并膨胀到很大的质量。中子盛宴中散布着放射性衰变，形成新元素。2017 年两颗中子星合并的目击事件表明，此类碰撞是 r 过程发生的地方之一（SN：2017 年 11 月 11 日，第 11 页 6 ）。但科学家怀疑这种情况也可能发生在其他宇宙区域（SN：2019 年 6 月 8 日，第 19 页 10）。
Cizewski 和同事正在研究一种可能在超新星中蓬勃发展的 r 过程的简化形式，但超新星可能没有足够的魅力来支持完整的 r 过程。该团队将注意力集中在锗 80 上，它在弱 r 过程中发挥着关键作用。物理学家想知道这个原子核捕获另一个中子变成锗 81 的可能性有多大。在 FRIB，Cizewski 将把一束 80 锗射入氘，氘的原子核中有一个质子和一个中子。了解锗 80 捕获中子的频率将有助于科学家确定弱 r 过程的中子吞噬链，无论它出现在哪里。
博罗米安弯曲
就像相互关联的博罗米安环一样，核物理学的不同方面紧密地交织在一起，从宇宙的奥秘到原子核的内部运作。FRIB 产生的奇异原子核还可以让物理学家通过测试某些基本的自然定律来深入了解物理学的基础。该设施也有实用的一面。例如，科学家可以收集 FRIB 产生的一些同位素用于医疗程序。
物理学家已经准备好迎接惊喜。“每次我们建造这样的设施，都会有新的发现和科学突破，”纳扎雷维奇说。就像 20 世纪 80 年代发现锂 11 的博罗米安核一样，科学家可能会发现一些完全意想不到的东西。
蛋糕上的结冰
除了研究极端原子核和探索恒星的核物理之外，科学家们还希望利用 FRIB 在另外两个关键领域取得进展。
收获有用的核
科学家计划收集 FRIB 产生的同位素用于社会应用。例如，在医学领域，某些同位素（例如 149 铽）可用于放射治疗或医学成像。
当稀土金属铽的这种同位素衰变时，它可以释放出可以杀死癌细胞的 α 粒子（氦核）。它的半衰期为 4.1 小时，处于最佳位置：速度足够快，足以产生效果——不需要数百年的时间才能衰减——但又不会太快，以至于在发挥作用之前几秒钟内就消失了。
检验自然规律
科学家计划检查某些物理规则，例如物质和反物质表现为镜像的想法。某些假设的物理效应可能会导致粒子违反这一规则，这可能有助于解释为什么宇宙中物质多于反物质。
可能使物质和反物质行为不同的效应也可能导致原子中的电荷分离，原子一侧的正电荷稍微多一些，而另一侧的负电荷多一些。在大多数原子中，这种间隔可能太小而无法测量。但在具有梨形原子核的镭 225 中，这种效应会更强，因为原子核的不对称性会增强原子电荷的不对称性。
