美研发出新核子侦测系统 可透视次原子世界

　　一套可望推动核物理与美国国家安全研究的次世代核侦测系统，已于密歇根州立大学（MSU）的“稀有同位素束流设施”（Facility for Rare Isotope Beams, FRIB）完成首批运转测量与性能鉴定。这套名为GRETA（Gamma-Ray Energy Tracking Array，伽玛射线能量追踪阵列）的先进设备，在早期束流测试中成功达成了所有预定性能指标，宣告正式迈入运转阶段。

　　摆脱传统限制：以“能量追踪”精准描绘原子核结构

　　物理学家设计GRETA的核心目的，是以前所未有的精度描绘次原子（Subatomic，又称“亚原子”）结构。当原子核发生碰撞或衰变时，会释放伽玛射线（高能光子）；透过精准记录这些伽玛射线，研究人员得以直接观察维系原子核内部的基本作用力。

　　分段电极设计：采用高纯度锗（HPGe）半导体晶体，并装有高度分段的电极接点。

　　即时讯号撷取：当高能光子与晶体发生作用时，专用的数位数据撷取硬体会即时记录产生的电脉冲。

　　三维作用定位：系统能据此计算出光子在晶体内每次作用的精确三维座标，进而重建光子的散射路径。

　　这种“能量追踪”能力，使GRETA能在极高的背景电子杂讯中精准撷取出微弱讯号，这是研究极端不稳定、寿命极短之稀有同位素的关键技术门槛。

　　多机构顶尖合作与成功试运转

　　打造这套庞大阵列需仰赖美国横跨多个国家实验室的团队合作。劳伦斯柏克莱国家实验室（LBNL）的工程团队组装了核心侦测器模组并执行初试；阿贡国家实验室（ANL）与橡树岭国家实验室（ORNL）的合作伙伴则建构了支援子系统与高阶讯号处理软体。

　　在试运转期间，研究团队将GRETA成功整合至FRIB的再加速器束流线（ReA），完成全阵列校准，并透过将轻原子核束流射向固定靶进行验证。碰撞产生的受激复合核历经多阶段伽玛衰变，实测结果证实，GRETA在时间同步与能量解析度上的表现，完全符合电脑模拟预期。

　　探索次原子世界：三大关键研究领域

　　随着鉴定工作完成，GRETA已正式成为FRIB开放给全球学者申请使用的主力仪器。研究人员将利用此设施研究仅能存在几分之一秒的极端短命同位素，重点聚焦于三大领域：

　　绘制核稳定性极限：测量原子核的“滴线”（Drip lines），探讨单一原子核在崩解前最多能容纳多少质子与中子。

　　揭开宇宙元素起源：追踪与恒星内部反应相仿的衰变路径，模拟并解释比铁重的元素如何在超新星爆发与中子星碰撞中合成。

　　检验基本物理定律：高精度记录次原子衰变过程中的微小变异，用以测试标准模型的对称性与限界。

　　柏克莱实验室核子科学部主任兼GRETA专案主任保罗‧法隆（Paul Fallon）表示：“透过探索GRETA对极微弱伽玛射线跃迁的极致灵敏度，我们得以将其性能推升至远超过先前世代侦测器阵列的高度。”

　　GRETA收集到的高精度实验数据，不仅能改进现有的原子核理论模型，更将为核物理、天体物理、能源应用、核医学以及国家安全防卫等领域奠定持续研究的科学基础。

安装于稀有同位素束流设施的GRETA（柏克莱实验室）