于越观察飞行时间探测器打火现象。叶满山/摄

■本报记者 叶满山

近日，中国科学院近代物理研究所（以下简称近物所）依托兰州重离子加速器冷却储存环实验平台，采用首创的“磁刚度识别等时性质谱术”，对一系列奇特原子核的质量进行了精确测定。

这一研究不仅填补了原子核质量数据领域的多项空白，还开创了一种揭示原子核中是否存在质子晕结构的新方法。相关论文发表于《物理评论快报》。

步入原子核研究大门

2020年，正在西安交通大学读大三的于越参加了近物所的夏令营。参观原子核质量测量实验室后，他萌生了一个强烈念头。出于对宇宙奥秘的好奇，于越决定毕业后跟随近物所实验核物理中心首席科学家张玉虎，投身原子核质量测量研究。

“年轻人总是对未知世界充满好奇，正是这种好奇心让我选择了原子核质量测量的道路。”从那一刻起，于越便与原子核结下了不解之缘。

原子核，这个构成物质的基本单元，其内部结构既复杂又神秘。它是构成物质世界的基石。长期以来，科学家一直努力通过各种技术手段探索原子核真相，揭示宇宙万物的运行规律。而对原子核质量的精确测量，是探索过程中的重要一环。

参与该研究的近物所副研究员邢元明对此深有体会：“原子核有很多独特的性质，而质量是所有性质中最基本的。通过测量原子核质量可以揭示其内部结构的奥秘。对原子核的浓厚兴趣，一直激励着我们团队从事原子核质量测量的研究工作。”

晕核：一种奇异的原子核

通常情况下，原子核半径会随着核子数的增加而增大。但1985年，实验核物理学家Tanihata等人在美国伯克利国家实验室发现了一个奇怪现象：仅有3个质子和8个中子的锂-11的大小，竟然和拥有82个质子、126个中子的铅-208差不多。

科学家进一步研究发现，原来是锂-11的两个中子松散地结合在其余核子周围，形成光晕般的中子晕，使得锂-11的半径特别大。至此，锂-11成为第一个经实验观察到的典型晕核。

“晕核的发现展示了原子核的多样性，拓展了我们对原子核的认知。”邢元明介绍，作为一种奇特的原子核，晕核自发现起就引发了核物理学家的关注。

自锂-11的中子晕被发现后，又有多个晕核相继被发现。这些晕核主要包括单核子晕核和双核子晕核，都是较轻的、靠近滴线的弱束缚核。所谓弱束缚是指随着质子数或中子数的增加，原子核对外层的质子或中子的束缚作用减弱，原子核也变得不稳定起来。弱束缚的原子核中会出现一些奇特的物理现象，比如晕现象。由于晕核有助于加深人们对核子相互作用的理解，所以晕核的发现吸引了众多理论学家采用各种模型对其进行研究，并预言未知的晕核。

原子核由中子和质子构成，晕核也分为中子晕核和质子晕核。但在此前研究中，中子晕发现得相对较多，而质子晕发现得极少。这是由于质子间的库仑斥力作用，使质子晕的形成条件比中子晕更为苛刻，并且通过实验识别质子晕核也存在极大挑战。目前，经实验确认的质子晕核只有3个——硼-8、氮-12以及氖-17，此外还有若干可能存在争议的质子晕候选核。

镜像能量差揭示质子晕结构

于越、邢元明所在的近物所原子核质量测量团队，采用首创的“磁刚度识别等时性质谱术”，对硅-23、磷-26、硫-27和氩-31等奇特原子核的质量进行了精确测量，并将硫-28的质量精度提高了11倍。

这些高精度的质量数据不仅填补了原子核质量数据的多项空白，还帮助确定了磷、硫和氩3种元素的质子滴线，结束了长期以来的争论。这些珍贵的原子核质量数据可以帮助全世界的核物理学家更加深入地了解原子核内部结构和相互作用规律。

在获得高精度的原子核质量数据后，原子核质量测量团队并没有止步。

在张玉虎的带领下，他们进一步提取了一种叫作“镜像能量差”的物理量，这一物理量基于镜像核质量差值计算得到，反映了一对镜像核之间核子结合能力的差异。如果质子数较多的原子核具有质子晕结构，而中子数较多的镜像核没有晕结构，即使消除库仑能的差异，它们之间仍会呈现出镜像对称性破缺，进而在镜像能量差上体现出差异。

基于这一新方法，团队发现部分新测质量的原子核中确实出现镜像对称性破缺现象。这一发现背后的原因是这些原子核中可能存在质子晕结构。通过进一步的理论计算和分析，团队支持了磷-26、27，硫-27、28等传统质子晕候选核中存在质子晕的结论，并首次提出氩-31可能是一个新的双质子晕核。

“这项工作堪称实验和理论团队之间深度合作的典范。”邢元明说，“我们能取得这项成果，得益于北京大学、安徽大学、兰州大学的核物理理论团队的支持，尽管有的理论计算结果未在论文中展示，但他们的贡献不容忽视。”

邢元明表示，核物理学家今后可以将高精度原子核质量用作探测同位旋对称性破缺和揭示质子晕结构的灵敏探针，这有望促进人们对原子核晕结构的进一步研究。

于越表示，原子核质量测量工作触及对原子核最基本性质的研究，不仅与奇异核结构有关，也对核能利用、核医学、核天体物理等领域有重要意义。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.222501