钽-180m：挑战核物理认知的超长寿命同位素

钽是最稀有的元素之一，具有多种稳定同位素。其中钽-180是钽同位素中最不丰富的同位素，天然存在于长寿命的激发态钽-180m中。在核物理领域，钽-180m是一个迷人的异类。这种稀有的核异构体，以其异常长的寿命违背了人们的预期。与在可预测的时间框架内衰变的同类不同，钽-180m的衰变仍然难以捉摸，从未被直接观察到。发表在《物理评论快报》的一项新研究设计了一个实验，给出了钽-180m半衰期的下限值。

钽-180m的奇特性质在于其独特的核结构。原子核由质子和中子组成，它们的排列决定了它们的稳定性。在像钽-180m这样的激发态下，质子或中子占据更高能量的能级，使得跃迁到更低能量的能级在能量上是有利的。这种跃迁通常通过放射性衰变发生，其中原子核发射辐射以达到更稳定的配置。然而，对于钽-180m来说，这种衰变的途径受到了极大的阻碍。

两个主要因素促成了钽-180m的超长寿命。首先，K自旋的概念——一个与原子核角动量相关的量子数——起着关键作用。激发态（钽-180m）和基态（稳定钽-180）之间的K自旋差异很大。这种差异作为一个选择规则，严重限制了钽-180m可以经历的衰变过程类型。

其次，钽-180m的激发态和基态之间的能量差非常小。放射性衰变通常涉及发射电子或正电子等粒子，它们带走多余的能量。在钽-180m的情况下，微小的能量间隙使得发射这种粒子在能量上变得不有利。因此，这种K自旋差异大和能量间隙小的组合有效地阻碍了钽-180m的衰变机制。

尽管缺乏直接观察，科学家们已经采用了精密实验来对钽-180m难以捉摸的衰变施加约束。一个突出的例子是Majorana Demonstrator实验。最初该实验设计用于在锗-76中搜索中微子双β衰变，后来被重新用于钽-180m。通过在超低本底环境中利用高纯度锗探测器，科学家们试图捕捉任何可能指示钽-180m衰变的辐射信号。

使用Majorana Demonstrator的最新研究取得了令人印象深刻的成果。通过分析超过17公斤钽金属的数据，这是此类搜索中使用过的最大数量，科学家们能够为钽-180m的半衰期建立新的约束。半衰期是指一半的放射性同位素衰变所需的时间。这些新的约束将钽-180m的半衰期下限推到了惊人的1.5 x 10^19年，比之前的估计高出一个数量级。

揭开钽-180m的神秘面纱对许多科学领域具有重大意义，它异常长的寿命挑战了我们对核衰变过程和控制它们的因素的理解。此外，对钽-180m的研究可以阐明难以捉摸的中微子诱导核合成概念，这是一个中微子促进宇宙重元素形成的理论过程。