原子核里的“暈”？新研究讓原子核結構更“透明”

對于大多數人來說，能夠在學生時代發表一篇學術論文已經是不小的成就，更不用說在國際頂級學術期刊上發表。然而，對于1999年出生的于越來說，這一切卻成為了現實。距離畢業還有兩年時間，他參與的研究就登上了頂級期刊。面對這樣的成功，他誠懇地說：“這一方面多靠我們團隊的老師和師兄們的悉心指導與長期積累，另一方面它也是一項實驗與理論、研究所和高校深度合作的研究成果。”

近日，中國科學院近代物理研究所依托其先進的蘭州重離子加速器冷卻儲存環實驗平臺，運用首創的“磁剛度識別等時性質譜術”，對一系列奇特原子核的質量進行了精確測定。這一研究不僅填補了原子核質量數據領域的多項空白，還開創了一種揭示原子核中是否存在質子暈結構的新方法。相關論文于11月27日發表于《物理評論快報》。

步入原子核研究的大門

2020年，正在西安交通大學讀大三的于越，參加了近代物理研究所的夏令營。在參觀了原子核質量測量實驗室后，他心中萌生了一個強烈的念頭。出于對宇宙奧秘的深深好奇，于越決定畢業后直接跟隨張玉虎教授，投身于原子核質量測量的研究中。

從那一刻起，于越與原子核便結下了不解之緣。他說：“年輕人總是對未知世界充滿好奇，正是這種好奇心讓我選擇了原子核質量測量的道路。”

原子核，這個構成物質的基本單元，其內部結構既復雜又神秘。它是構成我們物質世界的基石，長期以來，科學家們一直在努力通過各種技術手段探索原子核的真相，來揭示宇宙萬物的運行規律。而對原子核質量的精確測量，是這一探索過程中的重要一環。

與于越同為論文第一作者的邢元明副研究員對此深有體會：“原子核有很多獨特的性質，而質量是其所有性質中最為基本的。通過測量原子核質量，可以揭示原子核內部結構的奧秘。對原子核的濃厚興趣，一直激勵著我們團隊從事原子核質量測量的研究工作。”

暈核：一種奇異的原子核

通常情況下，原子核半徑會隨著核子數的增加而增大。但在1985年，實驗核物理學家Tanihata等人在美國伯克利國家實驗室（LBNL）卻發現了一個奇怪的現象：僅有3個質子和8個中子的鋰-11，竟然和擁有82個質子、126個中子的鉛-208大小差不多。

科學家們進一步研究發現，原來是鋰-11中的兩個中子松散地結合在其余核子周圍，形成了如同光暈一般的中子暈，才使得鋰-11的半徑特別大。至此，鋰-11成為第一個經實驗觀察到的典型暈核。

“暈核的發現展示了原子核呈現出的多樣性，擴展了我們對原子核的認知。”邢元明介紹，作為一種奇特的原子核，暈核自發現之后就引起了核物理學家們的巨大關注。

自鋰-11的中子暈被發現之后，又有多個暈核相繼被發現。這些暈核主要包括單核子暈核和雙核子暈核，都是些較輕的、靠近滴線的弱束縛核。所謂的弱束縛是指隨著質子數或中子數的增加，原子核對外層的質子或者中子的束縛作用減弱，原子核也變得不穩定起來。弱束縛的原子核中會出現一些奇特的物理現象，比如這里說的暈現象。由于暈核有助于加深人們對原子核內核子相互作用的理解，所以暈核的發現也吸引了眾多核物理理論學家采用各種理論模型對其進行研究，并預言未知的暈核。

原子核由中子和質子構成，暈核也分為中子暈核和質子暈核。但在此前的研究中，中子暈發現相對較多，而質子暈發現極少。這是由于質子間的庫侖斥力作用，質子暈的形成條件比中子暈更為苛刻，實驗上識別質子暈核也存在著極大的挑戰。目前實驗上確認的質子暈核只有三個(硼-8，氮-12以及氖-17)，此外還有若干可能存在爭議的質子暈候選核。

邢元明和于越與新型飛行時間探測器離線測試終端合影。葉滿山。

鏡像能量差揭示質子暈結構

包括于越、邢元明在內的近代物理所原子核質量測量團隊，利用首創的“磁剛度識別等時性質譜術”，對硅-23、磷-26、硫-27和氬-31等奇特原子核的質量進行了精確測量，并將硫-28的質量精度提高了11倍。這些高精度的質量數據不僅填補了多項原子核質量數據的空白，還幫助確定了磷、硫和氬三種元素的質子滴線，結束了長期以來的爭論。這些珍貴的原子核質量數據，可以幫助全世界的核物理學家們更加深入地了解原子核的內部結構和相互作用規律。

在獲得高精度的原子核質量數據后，原子核質量測量團隊也并沒有止步于此。

在通訊作者、實驗核物理中心首席科學家張玉虎研究員的指導和帶領下，他們進一步提取了一種叫做“鏡像能量差”的物理量，這一物理量基于鏡像核質量差值計算得到，反映了一對鏡像核（即質子數和中子數互換的一對原子核）之間核子結合能力的差異。如果質子數較多的原子核具有質子暈結構，而中子數較多的鏡像核沒有暈結構，即使扣除掉庫侖能的差異，它們之間仍然會呈現出鏡像對稱性破缺，進而在鏡像能量差上體現出差異。

基于這一新方法，團隊發現部分新測質量的原子核中確實出現了鏡像對稱性破缺現象。這一發現背后的物理原因是這些原子核中可能存在質子暈結構。通過進一步的理論計算和分析，團隊支持了磷-26、27，硫-27、28等傳統質子暈候選核中存在質子暈的結論，并首次提出氬-31可能是一個新的雙質子暈核。同時，他們還指出質子暈候選核鋁-22并不是一個暈核，但其第一個1⁺激發態卻具有質子暈結構等。

“這項工作堪稱實驗和理論團隊之間深度合作的典范。”邢元明特別強調說，“我們能取得這項成果，來自于北京大學、安徽大學、蘭州大學以及近物所的核物理理論團隊們給出的決定性理論支持也必不可缺，盡管有的理論計算結果未在論文中展示出來，但他們的貢獻也不應被忽視。”

雖然這項工作結合了實驗與理論，很有創新性，但發表過程總是充滿變數。

“而當收到第一輪審稿意見時，我們發現三位審稿人中有一位持反對意見，認為我們的提出的判據沒有先例，不支持在《物理評論快報》發表。這一意見無疑給我們帶來了不小的壓力，但好在另外兩位審稿人給予了積極的反饋。”于越表示，面對這樣的審稿結果，我們沒有氣餒，在張玉虎研究員的帶領下，對審稿人提的一系列批評和意見進行了認真研究和回復，根據審稿意見對文章進行了仔細修改，同時北大裴俊琛老師也做了進一步的理論計算和分析。

令人欣慰的是，最終原本持反對意見的審稿人被說服，表示“愿意重新審視自己此前的觀點”，并且認為，“文章經過修改后有了顯著的提升”。

“最終，三位審稿人的一致認可無疑是對這項工作的一種極大肯定。”邢元明表示，以后核物理學家可以將高精度原子核質量用作探測同位旋對稱性破缺和揭示質子暈結構的靈敏探針，這將有望促進人們對原子核暈結構的進一步研究和探索。

談及未來，于越笑著說：“我只希望這不是我最后一篇發表在重要期刊上的科學成果。原子核質量測量工作觸及到對原子核最基本性質的研究，它不僅僅與奇異核結構有關聯，也對核能利用、核醫學、核天體物理等領域有重要的意義。原子核質量的應用范圍十分廣泛，我未來會繼續從事這項事業，爭取再攀高峰。”

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.222501