新方法在微观世界找“晕” | 科技前线

“月晕午时风，日晕三更雨。”在宏观世界中，日光或月光会在某些特定的气象条件下，在大气层中形成折射产生光晕，人们将其命名为月晕或日晕，同时也把它与后续出现的自然现象关联。


在微观世界中也有一种奇特的“晕”——晕核。


中国科学院近代物理研究所储存环核物理室的科研人员，提出了一种全新的识别质子晕核的方法，揭示了数个质子晕核候选者中是否存在质子晕结构。


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一种奇异的原子核






原子核由两种核子——质子和中子构成。通常情况下，原子核半径会随着核子数的增加而增大。不过，在1985年，核物理学家发现锂-11具有异常大的半径：只有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。
通过进一步研究，科学家发现，这一现象是由于锂-11的两个中子松散地结合在其他核子周围，导致半径异常变大。
这一现象与月晕、日晕非常相似，于是科学家将拥有这种奇异核结构的弱束缚原子核称为晕核。
研究晕核有助于加深科学家对原子核内核子相互作用的理解。

▲2024年5月在昆明观察到的日晕

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新方法寻找质子晕核






在过去的四十年中，科学家们通过各种实验手段找到一些晕核，只是其中大多数都是中子晕核。这是因为中子不带电，而质子带正电荷，所以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。即便形成质子晕，一般也比中子晕要小得多。
但是，传统的实验手段只能探寻拥有较大半径的晕核，很难发现质子晕核。
寻找一种全新的、灵敏的识别质子晕核的方法，成为了一个重要的课题。
其中一个突破口来自爱因斯坦质能方程。当自由核子结合成原子核时，它们之间的相互作用会使得核子损失一部分能量，这部分能量反映了核子间的结合能力的差异。爱因斯坦的质能方程说明质量和能量是可以相互转化的，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。
近代物理所的科研人员依托兰州重离子加速器冷却储存环，测量了数个质子晕候选核的质量，并计算了它们的镜像能量差。

▲兰州重离子加速器冷却储存环实验环
如果质子数较多的弱束缚原子核具有晕结构，而中子数较多的深束缚镜像核中没有晕结构，就可能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。该猜想也得到了来自北京大学、近代物理所、安徽大学和兰州大学等多家核物理团队理论计算的支持。



▲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。

最终，科研人员通过这一基于原子核质量揭示质子晕结构的全新方法，首次提出氩-31可能是一个双质子晕核，它最外层的两个质子会形成松散的质子晕。


同时，研究结果还支持磷-26、27，硫-27、28等质子晕候选核中存在质子晕，澄清了质子晕候选核铝-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。相关成果发表在《物理评论快报》上。




▲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）的核子及核子密度分布示意图。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。

寻找晕核的传统实验手段，在识别质子晕核时表现不佳。近代物理所的实验研究人员和国内理论核物理学家们密切合作，基于原子核质量，探测镜像对称性破缺，得到了一种揭示质子晕结构的全新方法，为未来有针对性地开展质子晕有关的其他实验和理论研究指明了方向。

文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.222501
来源：中国科学院近代物理研究所

责任编辑：宋同舟