HIAF首項物理成果：僅10個鉿-153離子，觸及核穩定性的邊界

中國的強流重離子加速器裝置（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，HIAF）在調試期間完成首項已報道的物理成果：成功產生並鑑別極度缺中子的鉿-153（^153Hf）。研究人員總共觀測到10個這種極罕見的離子，顯示這座新裝置已具備探索接近核存在極限之稀有原子核的能力。

HIAF首項成果是甚麼？

HIAF位於中國廣東省惠州市，於2026年7月21日開始試運行。這座大型科學裝置的主要任務，是製造、分離並精確測量稀有放射性原子核，協助科學家描繪原子核在變得不穩定之前，究竟可以延伸到多遠。

這項鉿-153研究由中國科學院近代物理研究所領導，合作單位包括中國科學院大學、德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心、德國科隆大學、東華理工大學，以及先進能源科學與技術廣東省實驗室。研究成果以短篇通訊形式發表於《Science Bulletin》。

為何鉿-153值得關注？

鉿-153屬於重核中的缺中子區域。對這類原子核而言，質子與中子的平衡日益難以維持，原子核也因此更接近穩定性的邊界。在這次實驗之前，鉿-153尚未有可靠的觀測報告。

確認它的存在並測量其質量，為核物理學家提供了一個新的實驗數據點，可用來檢驗核質量模型，並研究原子核結構在接近穩定極限時如何演變。

測量結果顯示，^153Hf是一個束縛或弱束縛核素，與多個核質量模型的預測一致。這並不代表有關該核素的所有問題已經解決，但這項結果為用來預測極難直接觀測原子的理論，提供了重要的實驗檢驗。

科學家如何找到這10個離子？

實驗首先以HIAF增強器中的鉍-209束流作為入射束，將其加速至每核子836.66 MeV，再轟擊石墨靶。撞擊引發彈核碎裂反應，產生包含多種放射性原子核的混合物。

接下來的關鍵，是從這堆混合物中分離出目標核素。反應產物經由高能放射性束流線HIRIBL篩選並傳送至SRing儲存及譜儀環。飛行時間探測器先協助快速區分候選原子核，之後再利用等時性質譜技術進行高精度質量測量。最終，團隊共記錄到10個^153Hf離子。

難點不只是「製造」鉿-153，更在於要在數量遠多於它的其他反應產物中，可靠地辨認它。研究估算，鉿-153的產生截面僅約為皮巴量級，代表它的生成機率極低。高強度初級束流、高分辨率碎片分離，以及能夠感測單一離子的質譜系統，必須協同運作，才能完成這次鑑別。

RIKEN的獨立觀測提供印證

幾乎在同一時期，日本理化學研究所（RIKEN）旗下的放射性同位素束流工廠（Radioactive Isotope Beam Factory，RIBF）也獨立報道觀測到^153Hf。兩項研究彼此印證，降低了僅憑少量離子作出判定時可能存在的不確定性，進一步強化了鉿-153身分鑑定的可信度。

對於產生率極低的原子核而言，來自不同設施的獨立觀測尤其重要。這次一致結果不但鞏固了研究發現，也讓科學家能更有把握地把鉿-153納入核理論比較之中。

這項成果對HIAF意味著甚麼？

鉿-153是HIAF科學計劃的起點，而非終點。這項成果證明，HIAF的加速器、放射性束流傳輸系統、碎片分離裝置，以及精密質量測量能力，已能協調運作，研究數量稀少且壽命短暫的原子核。

隨著HIAF持續提升束流強度和實驗效率，其實驗探測能力預計可提高約兩個數量級。這將有助於發現更多新核素，更嚴格地檢驗及修正核質量模型，並在更極端的質子—中子不平衡條件下測量原子核性質。

因此，鉿-153的重要性有兩層：它本身是一個極難製造與辨認的稀有核素；同時，它也展示了HIAF已準備好向核素版圖中較少被探索的邊界進發。