▲鐿-150同核異能態(tài)的發(fā)現(xiàn)（視頻中部分素材由AI生成）

接力賽，一定是體育場上最令人血脈僨張的項目之一了。而在比原子還要小億萬倍的原子核的世界里，竟然也上演著一場別開生面的“接力賽”。

科學家們通過研究稀有原子核的特殊狀態(tài)，揭開了一場由中子和質(zhì)子完成的奇特接力。

被鎖住的高能量態(tài)

要理解這項發(fā)現(xiàn)，我們得先認識一下原子核這個微觀世界里的重要角色。

原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。就像電子在原子中分層排布一樣，原子核中的質(zhì)子和中子也按照能級高低依次排布，形成類似的殼層結(jié)構(gòu)。當質(zhì)子或中子的數(shù)目恰好填滿一個殼層時，原子核會變得格外穩(wěn)定，這些特殊的數(shù)字被稱為“幻數(shù)”。

在通常情況下，原子核處在能量最低的狀態(tài)——“基態(tài)”。但在外界作用下，例如核與核之間的碰撞，原子核也可能被“激發(fā)”到更高能量的狀態(tài)——“激發(fā)態(tài)”。絕大多數(shù)激發(fā)態(tài)都極不穩(wěn)定，會瞬間通過發(fā)射伽馬射線等方式釋放多余能量，從而回到基態(tài)。

然而，在某些特殊結(jié)構(gòu)下，原子核可以在激發(fā)態(tài)“滯留”較長時間，遲遲不退回基態(tài)。這些壽命顯著延長、相對穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，被稱為“同核異能態(tài)”（下文簡稱異能態(tài)）。

從1921年奧托·哈恩首次發(fā)現(xiàn)異能態(tài)開始，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約2600個半衰期大于10納秒的異能態(tài)。因其長壽命特性，異能態(tài)不僅在能源、醫(yī)療等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，也是窺探原子核結(jié)構(gòu)的重要窗口。

最長的異能態(tài)鏈

人們發(fā)現(xiàn)，在幻數(shù)核及其鄰近核中，往往更容易形成異能態(tài)。在核素圖上，靠近中子幻數(shù)82、中子數(shù)80的偶偶核中就存在著一條引人注目的“異能態(tài)鏈”。

在這條鏈上，自旋宇稱為10?的異能態(tài)從豐中子核鈀-126一直延伸至缺中子核鉺-148，在十二個偶偶核（質(zhì)子數(shù)由46到68）中連續(xù)出現(xiàn)，形成了核素圖上最長的10?異能態(tài)鏈。

▲異能態(tài)在核素圖（部分）上的分布。圖中28, 50, 82和126為原子核的幻數(shù)。圖源| Physical Review Letters

然而，自1982年在鉺-148中發(fā)現(xiàn)異能態(tài)以來，尋找下一個成員——鐿-150中（質(zhì)子數(shù)為70）的異能態(tài)，卻遲遲沒有進展。鐿-150是一個極度缺中子的核素，科學家們在實驗室里產(chǎn)生它都相當困難，以至于它究竟還存不存在異能態(tài)，異能態(tài)鏈還能否延續(xù)至質(zhì)子滴線核區(qū)，成了四十多年來的未解之謎。

鐿-150異能態(tài)的發(fā)現(xiàn)

鐿-150在核反應(yīng)中產(chǎn)生的幾率極低。在海量反應(yīng)產(chǎn)物中，它的產(chǎn)額微乎其微，其出現(xiàn)就像是一閃而過的“微光”，幾乎淹沒于其他產(chǎn)物帶來的高額本底之中。要從中辨認出鐿-150的蹤跡，必須依靠精密的實驗設(shè)計與巧妙的關(guān)聯(lián)分析。

為了尋找鐿-150中的異能態(tài)，中國科學院近代物理研究所的科研人員與合作者在芬蘭于韋斯屈萊大學加速器實驗室開展了一次實驗。他們首先利用鎳-58束流轟擊釕-96靶，發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生目標原子核鐿-150。然后，借助反沖分離器對反應(yīng)產(chǎn)物進行篩選，并將鐿-150傳輸至焦平面探測系統(tǒng)。最后，通過對鐿-150注入與衰變信號之間的時間和空間關(guān)聯(lián)，追尋異能態(tài)的衰變信號。

▲實驗裝置示意圖。圖源| Physical Review Letters補充材料

在持續(xù)一百多個小時的數(shù)據(jù)累積后，這個“隱匿于滄?！钡奈⑷跣盘柦K于顯現(xiàn)。研究人員確認了鐿-150中異能態(tài)的存在，鑒別出自旋宇稱為10?，并構(gòu)建了其衰變綱圖。經(jīng)過測定，該異能態(tài)的壽命約為0.62微秒——不到短短百萬分之一秒，卻已堪稱核激發(fā)態(tài)中的“長壽老人”（大多數(shù)激發(fā)態(tài)壽命在納秒以下）。

至此，10?異能態(tài)鏈繼續(xù)向前延伸了一環(huán)。四十余年的等待，終于迎來答案。

一場奇特的“接力賽”

大家或許以為故事已近尾聲，其實好戲才剛剛上演。鐿-150異能態(tài)的首次發(fā)現(xiàn)，不僅補上了10?異能態(tài)鏈的最后一環(huán)，更為重新研究整條鏈的性質(zhì)提供了一個絕佳機會。一個最自然的問題隨之浮現(xiàn)：為什么這條異能態(tài)鏈最長？

要回答這一問題，研究人員利用了一個關(guān)鍵的物理量——朗德g因子。這個實驗可測的物理量，本質(zhì)上記錄著原子核自旋與磁矩之間的關(guān)系，如同一枚指紋，讓原本“掩面而藏”的核組態(tài)變得清晰可辨。他們對g因子實驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合在同濟大學超算平臺上開展的理論計算，揭示出一個前所未見的現(xiàn)象：這條異能態(tài)鏈在延續(xù)過程中發(fā)生了一次 “接力”。

原來，這些異能態(tài)可分為兩組：一組源于雙中子組態(tài)，即兩個中子耦合形成的結(jié)構(gòu)，能量主要由中子攜帶；另一組源于雙質(zhì)子組態(tài)，即兩個質(zhì)子耦合形成的結(jié)構(gòu)，能量主要由質(zhì)子攜帶。它們仿佛接力賽中的兩名選手，在釤-142與釓-144之間完成了一次完美的交接：中子組態(tài)毫不拖泥帶水地轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子組態(tài)，將異能態(tài)的長壽命特性傳遞了下去。

正是這場發(fā)生在原子核間的接力賽，使這串10?異能態(tài)序列得以繼續(xù)向更缺中子區(qū)域延伸，成為核素圖上最長的異能態(tài)鏈之一。

▲異能態(tài)接力示意圖。圖| 張文強

還會有下一棒嗎？

“同核異能態(tài)接力”機制的首次發(fā)現(xiàn)，再次刷新了我們對原子核內(nèi)部世界的認知。鐿-150是否是這條10?異能態(tài)鏈的終點？要回答這一問題，我們需要把目光投向下一個中子數(shù)為80的偶偶核——鉿-152。與鐿-150相比，鉿-152更加缺中子，產(chǎn)生幾率更低，目前仍屬于未知原子核，其合成與鑒別難度可想而知。

然而，未來并非遙不可及。在即將在廣東惠州投入運行的強流重離子加速器裝置（HIAF）上，依托其提供的高品質(zhì)、高強度束流，科學家們有望合成鉿-152并探尋預(yù)期的異能態(tài)，以檢驗這條異能態(tài)鏈是否還能繼續(xù)向質(zhì)子滴線方向延伸。

科學探索的“接力”沒有終點，或許就在不久的將來，我們將會揭開下一棒的答案。

作者：張文強、劉忠，系中國科學院近代物理研究所副研究員、研究員

來源：光明日報

責任編輯：梁春雨