▲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(xiàng)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(xué)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)，我們得先認(rèn)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(dāng)質(zhì)子或中子的數(shù)目恰好填滿一個殼層時(shí)，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(shí)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(xué)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(jià)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(jìn)展。鐿-150是一個極度缺中子的核素，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生它都相當(dāng)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(rèn)出鐿-150的蹤跡，必須依靠精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)加速器實(shí)驗(yàn)室開展了一次實(shí)驗(yàn)。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(biāo)原子核鐿-150。然后，借助反沖分離器對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)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(shí)間和空間關(guān)聯(lián)，追尋異能態(tài)的衰變信號。

▲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖源| Physical Review Letters補(bǔ)充材料

在持續(xù)一百多個小時(shí)的數(shù)據(jù)累積后，這個“隱匿于滄海”的微弱信號終于顯現(xiàn)。研究人員確認(rèn)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(shí)好戲才剛剛上演。鐿-150異能態(tài)的首次發(fā)現(xiàn)，不僅補(bǔ)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合在同濟(jì)大學(xué)超算平臺上開展的理論計(jì)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(qiáng)

還會有下一棒嗎？

“同核異能態(tài)接力”機(jī)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(rèn)知。鐿-150是否是這條10?異能態(tài)鏈的終點(diǎn)？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(yùn)行的強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）上，依托其提供的高品質(zhì)、高強(qiáng)度束流，科學(xué)家們有望合成鉿-152并探尋預(yù)期的異能態(tài)，以檢驗(yàn)這條異能態(tài)鏈?zhǔn)欠襁€能繼續(xù)向質(zhì)子滴線方向延伸。

科學(xué)探索的“接力”沒有終點(diǎn)，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(qiáng)、劉忠，系中國科學(xué)院近代物理研究所副研究員、研究員

來源：光明日報(bào)

責(zé)任編輯：梁春雨