质量，是原子核的一种非常基本且重要的性质。原子核集中了原子99.9%以上的质量，而各种各样的原子构成了我们所处的物质世界，因此我们可以说，是原子核——承载了自然万物的质量。
原子核虽然极其微小，内部结构却并不简单。原子核是由核子(质子和中子)组成的量子多体系统。科学家尚未完全了解它的内部构造，比如：质子和中子在原子核中是如何分布的？原子核有哪些特别的形状？具有不同质子或中子数的原子核，它们的核子结合的紧密程度遵循什么样的规律......
实际上，每一种原子核都有其独特的属性。科学家们从不同维度，用不同方法来研究原子核的结构，试图通过了解这种微观的内在属性，来揭示宇宙万物的运行规律。
今天，我们要说的就是一种基于原子核质量，揭示原子核是否存在质子晕结构的新方法。![]()
图 原子核模型示意图，实际的原子核比例还要比这个小得多。图源| 360百科核子晕是一种非常有趣的奇异的核结构。通常情况下，相邻原子核的半径都很接近，半径会随着核子数的增加而增大。但在1985年，实验核物理学家却发现了一个奇怪的现象：仅有3个质子和8个中子的锂-11，竟然和拥有82个质子和126个中子的铅-208大小差不多。图 铅-208和锂-11的对比示意图，虽然两者核子数目差异巨大，大小却差不多。进一步研究发现，原来是锂-11中的两个中子松散地结合在其余核子周围，形成了如同光晕一般的中子晕，才使得锂-11的半径特别大。锂-11是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呈现出的多样性，扩展了我们对原子核多体系统的认识。核物理学家们希望通过实验来寻找更多的晕核。他们发现有些原子核拥有一个中子构成的晕，有些则拥有由两个中子构成的晕。在实验上，中子晕核发现较多，而质子晕核发现较少。这是因为质子带正电荷，而中子不带电，质子间库仑力的排斥作用使得质子晕的形成条件比中子晕苛刻得多。即使质子晕能够形成，一般也比中子晕要小得多。图 本工作发表前实验确定的晕核，以及可能具有晕结构的候选原子核（待实验确定）。图源| Zhang, K. Y., et al. (2023).Physical Review C 107(4).，有改动在实验中指认质子晕核存在相当的困难。如同锂-11，典型晕核的特征是半径要比具有相近核子数的原子核要大得多。但如果质子晕核的半径特征不那么明显，传统的实验方法就很难指认了。这给研究人员出了一个大难题，应该如何来观察如此细微的结构呢？原子核质量的高精度测量，为探索质子晕核提供了新思路。设想当核子一个接一个地结合成束缚的原子核时，会一次又一次地释放出能量，释放能量的多少，反映出核子结合的细节，比如紧密程度。爱因斯坦著名的质能方程式告诉我们，能量和质量可以相互转化，这意味着通过精确测量原子核的质量，可以窥探到原子核内部结构的奥秘。在11月27日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇研究中，中国科学院近代物理研究所的科研团队及合作者，提出了一种基于原子核质量揭示质子晕结构的新方法。利用兰州重离子加速器冷却储存环，研究团队使用首创的“磁刚度识别等时性质谱术”，首次测量了硅-23、磷-26、硫-27和氩-31的质量，并将硫-28的质量精度提高了11倍。利用新的原子核质量数据，研究团队确定了磷、硫和氩元素的质子滴线。![]()
图 用于储存离子的兰州重离子加速器冷却储存环及其配备的飞行时间探测器示意图。科研人员通过精确测量离子在储存环中运动的速度和周期，获取它们的高精度质量信息。图源| 近代物理所基于全新的质量数据，研究团队还提取了一种叫做“镜像能量差”的物理量。这个物理量反映了一对镜像核（也就是质子数和中子数互换的一对原子核）之间核子结合方式的差异。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的话，就会呈现出镜像对称性破缺，进而在这个物理量上体现出差异。利用镜像能量差，研究团队发现靠近质子滴线的原子核中确实出现了镜像对称性破缺。这背后的物理原因是这些原子核中可能存在质子晕结构，该结论得到了相关理论计算的支持。基于此，研究团队首次提出氩-31是一个双质子晕核，它最外层的两个质子会形成松散的质子晕。此外，研究还支持磷-26、27，硫-27、28等质子晕候选核中存在质子晕，澄清了基态的铝-22不是一个质子晕核，但其第一个1+激发态具有质子晕结构等。这些结论为未来有针对性地开展质子晕有关的实验和理论研究指明了方向。图 基于本项研究得到的一对镜像核——氩-31（18个质子和13个中子）和铝-31（13个质子和18个中子）的核子分布想象图。左侧为弱束缚的丰质子核氩-31，显示其存在明显的双质子晕结构。图源| 近代物理所这项研究明确提出，原子核质量可以作为探测镜像对称性破缺、揭示质子晕结构的灵敏探针。这如同为核物理学家在迷雾中竖起了一盏明灯，将可能具有质子晕结构的原子核显露出来。https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.222501近代物理所博士研究生于越和邢元明副研究员是论文的共同第一作者，近代物理所张玉虎研究员、王猛研究员以及德国重离子研究中心GSI的Yury Litvinov教授为通讯作者。研究得到中科院战略性先导科技专项（B类）、科技部重点研发计划、中国科学院稳定支持青年团队、中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金委、甘肃省自然科学基金委等项目的支持。
1. Tanihata, I., et al. (1985). "Measurements of Interaction Cross Sections and Nuclear Radii in the Light p-Shell Region." Physical Review Letters 55(24): 2676-2679.2.Hansen, P. G. (1987). "The Neutron Halo of Extremely Neutron-Rich." EUROPHYSICS LETTERS.3. Tanihata, I., et al. (2013). "Recent experimental progress in nuclear halo structure studies." Progress in Particle and Nuclear Physics 68: 215-313.4. Zhang, K. Y., et al. (2023). "Collapse of the N=28 shell closure in the newly discovered Na-39 nucleus and the development of deformed halos towards the neutron dripline." Physical Review C 107(4).5. Zhou, X., et al. (2023). "Mass measurements show slowdown of rapid proton capture process at waiting-point nucleus Ge-64." Nature Physics 19(8): 1091-1097.6. Yu, Y., et al. (2024). "Nuclear Structure of Dripline Nuclei Elucidated through Precision Mass Measurements of Si-23, P-26, S-27,28, and Ar-31." Physical Review Letters 133(22).
