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于越觀察飛行時(shí)間探測(cè)器打火現(xiàn)象,。葉滿山/攝近日,，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)稱近物所）依托蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用首創(chuàng)的“磁剛度識(shí)別等時(shí)性質(zhì)譜術(shù)”,，對(duì)一系列奇特原子核的質(zhì)量進(jìn)行了精確測(cè)定,。這一研究不僅填補(bǔ)了原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白,，還開創(chuàng)了一種揭示原子核中是否存在質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)的新方法。相關(guān)論文發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》,。步入原子核研究大門2020年,，正在西安交通大學(xué)讀大三的于越參加了近物所的夏令營(yíng)。參觀原子核質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)室后,，他萌生了一個(gè)強(qiáng)烈念頭,。出于對(duì)宇宙奧秘的好奇，于越?jīng)Q定畢業(yè)后跟隨近物所實(shí)驗(yàn)核物理中心首席科學(xué)家張玉虎,，投身原子核質(zhì)量測(cè)量研究,。“年輕人總是對(duì)未知世界充滿好奇,，正是這種好奇心讓我選擇了原子核質(zhì)量測(cè)量的道路,。”從那一刻起,，于越便與原子核結(jié)下了不解之緣,。原子核，這個(gè)構(gòu)成物質(zhì)的基本單元,，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)既復(fù)雜又神秘,。它是構(gòu)成物質(zhì)世界的基石。長(zhǎng)期以來,，科學(xué)家一直努力通過各種技術(shù)手段探索原子核真相,，揭示宇宙萬物的運(yùn)行規(guī)律。而對(duì)原子核質(zhì)量的精確測(cè)量,，是探索過程中的重要一環(huán),。參與該研究的近物所副研究員邢元明對(duì)此深有體會(huì)：“原子核有很多獨(dú)特的性質(zhì)，而質(zhì)量是所有性質(zhì)中最基本的,。通過測(cè)量原子核質(zhì)量可以揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘,。對(duì)原子核的濃厚興趣，一直激勵(lì)著我們團(tuán)隊(duì)從事原子核質(zhì)量測(cè)量的研究工作,?！睍灪耍阂环N奇異的原子核通常情況下，原子核半徑會(huì)隨著核子數(shù)的增加而增大,。但1985年,，實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家Tanihata等人在美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象：僅有3個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子的鋰-11的大小，竟然和擁有82個(gè)質(zhì)子,、126個(gè)中子的鉛-208差不多,。科學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),，原來是鋰-11的兩個(gè)中子松散地結(jié)合在其余核子周圍,，形成光暈般的中子暈,，使得鋰-11的半徑特別大。至此,，鋰-11成為第一個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察到的典型暈核,。“暈核的發(fā)現(xiàn)展示了原子核的多樣性,，拓展了我們對(duì)原子核的認(rèn)知,。”邢元明介紹,，作為一種奇特的原子核,，暈核自發(fā)現(xiàn)起就引發(fā)了核物理學(xué)家的關(guān)注。自鋰-11的中子暈被發(fā)現(xiàn)后,，又有多個(gè)暈核相繼被發(fā)現(xiàn),。這些暈核主要包括單核子暈核和雙核子暈核，都是較輕的,、靠近滴線的弱束縛核,。所謂弱束縛是指隨著質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)的增加，原子核對(duì)外層的質(zhì)子或中子的束縛作用減弱,，原子核也變得不穩(wěn)定起來,。弱束縛的原子核中會(huì)出現(xiàn)一些奇特的物理現(xiàn)象，比如暈現(xiàn)象,。由于暈核有助于加深人們對(duì)核子相互作用的理解,，所以暈核的發(fā)現(xiàn)吸引了眾多理論學(xué)家采用各種模型對(duì)其進(jìn)行研究，并預(yù)言未知的暈核,。原子核由中子和質(zhì)子構(gòu)成,，暈核也分為中子暈核和質(zhì)子暈核。但在此前研究中,，中子暈發(fā)現(xiàn)得相對(duì)較多，而質(zhì)子暈發(fā)現(xiàn)得極少,。這是由于質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力作用,，使質(zhì)子暈的形成條件比中子暈更為苛刻，并且通過實(shí)驗(yàn)識(shí)別質(zhì)子暈核也存在極大挑戰(zhàn),。目前,，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的質(zhì)子暈核只有3個(gè)——硼-8、氮-12以及氖-17,，此外還有若干可能存在爭(zhēng)議的質(zhì)子暈候選核,。鏡像能量差揭示質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)于越、邢元明所在的近物所原子核質(zhì)量測(cè)量團(tuán)隊(duì),，采用首創(chuàng)的“磁剛度識(shí)別等時(shí)性質(zhì)譜術(shù)”,，對(duì)硅-23,、磷-26、硫-27和氬-31等奇特原子核的質(zhì)量進(jìn)行了精確測(cè)量,，并將硫-28的質(zhì)量精度提高了11倍,。這些高精度的質(zhì)量數(shù)據(jù)不僅填補(bǔ)了原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)的多項(xiàng)空白，還幫助確定了磷,、硫和氬3種元素的質(zhì)子滴線,，結(jié)束了長(zhǎng)期以來的爭(zhēng)論。這些珍貴的原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)可以幫助全世界的核物理學(xué)家更加深入地了解原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用規(guī)律,。在獲得高精度的原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)后,，原子核質(zhì)量測(cè)量團(tuán)隊(duì)并沒有止步。在張玉虎的帶領(lǐng)下,，他們進(jìn)一步提取了一種叫作“鏡像能量差”的物理量,，這一物理量基于鏡像核質(zhì)量差值計(jì)算得到，反映了一對(duì)鏡像核之間核子結(jié)合能力的差異,。如果質(zhì)子數(shù)較多的原子核具有質(zhì)子暈結(jié)構(gòu),，而中子數(shù)較多的鏡像核沒有暈結(jié)構(gòu)，即使消除庫(kù)侖能的差異,，它們之間仍會(huì)呈現(xiàn)出鏡像對(duì)稱性破缺,，進(jìn)而在鏡像能量差上體現(xiàn)出差異?；谶@一新方法,，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)部分新測(cè)質(zhì)量的原子核中確實(shí)出現(xiàn)鏡像對(duì)稱性破缺現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)背后的原因是這些原子核中可能存在質(zhì)子暈結(jié)構(gòu),。通過進(jìn)一步的理論計(jì)算和分析,，團(tuán)隊(duì)支持了磷-26、27,，硫-27,、28等傳統(tǒng)質(zhì)子暈候選核中存在質(zhì)子暈的結(jié)論，并首次提出氬-31可能是一個(gè)新的雙質(zhì)子暈核,?！斑@項(xiàng)工作堪稱實(shí)驗(yàn)和理論團(tuán)隊(duì)之間深度合作的典范?！毙显髡f,，“我們能取得這項(xiàng)成果，得益于北京大學(xué),、安徽大學(xué),、蘭州大學(xué)的核物理理論團(tuán)隊(duì)的支持，盡管有的理論計(jì)算結(jié)果未在論文中展示,，但他們的貢獻(xiàn)不容忽視,?！毙显鞅硎荆宋锢韺W(xué)家今后可以將高精度原子核質(zhì)量用作探測(cè)同位旋對(duì)稱性破缺和揭示質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)的靈敏探針,，這有望促進(jìn)人們對(duì)原子核暈結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究,。于越表示，原子核質(zhì)量測(cè)量工作觸及對(duì)原子核最基本性質(zhì)的研究,，不僅與奇異核結(jié)構(gòu)有關(guān),，也對(duì)核能利用、核醫(yī)學(xué),、核天體物理等領(lǐng)域有重要意義,。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.222501（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-12-25?第4版?綜合）