一个原子核能有多少中子？

这个超导回旋加速器在日本和光市理化研究所的放射性同位素束装置中产生了奇异的核子束。 图片来源：RIKEN

本报讯 日本物理学家已制造出有史以来最重的钙原子核——含有20个质子以及40个中子。其中的中子是最常见钙的两倍多，比此前的记录多了两三个。这一发现表明，在原子核中可包含的中子或许比以前认为的更多，这或将对中子星理论产生影响。

“这的确是一个重要而有趣的发现。”美国俄亥俄大学理论核物理学家Daniel Phillips说。物理学家的核结构模型趋向于更普通的原子核，即其质子和中子的数量大致相等。随着他们推断这些原子核拥有更加不平衡的质子和中子比例，科学家想要知道这些理论可能存在多大的错误。

原子核由核的强作用力所维系的质子和中子组成。质子的数量决定了一个原子的化学元素特性；而中子的数量则决定了该元素的同位素。教科书中经常把原子核描绘成像胶体一样黏在一起的许多质子和中子，但真正的原子核要复杂得多。虽然它是由离散的粒子组成的，但通常原子核更像是带有表面张力的液滴。同时，原子核拥有抽象的量子能壳层，当它们有足够数量的质子或中子填满壳层时，其黏附力会更大，正如在更大规模上，当原子填满电子壳时，其惰性会更强。此外，质子和中子可以两个一对或三个一组，且转瞬即逝，从而改变原子核的特征和稳定性。

理论物理学家使用不同模型来解释这些相互竞争的行为。对于相对较轻的原子核，初始化模型可处理单个质子和中子的相互作用。但该类模型对分析较重的原子核来说则存在困难，所以理论物理学家采用了基于“密度泛函数”的更多近似模型，将质子和中子的分布作为连续变量。但数十个该类模型可能在基本问题上存在分歧，比如有多少中子会附着在原子核上，物理学家通常会在网格状图上将这一极限可视化。图中会显示垂直轴上的质子数和水平轴上的中子数，已知和预测的原子核会形成一个“十”字形的条带，其下边界标志着“中子滴线”：一个原子核可容纳的最大中子数。一直以来，物理学家尚不知道这一滴线的确切位置在哪里。

现在，来自日本和光市理化研究所（RIKEN）和美国密歇根州立大学的一个30人团队已经制作出一批新的“富含中微子”的原子核，他们在近日发表于《物理评论快报》的报告中称，研究表明该滴线超过了许多理论预测。密歇根州立大学实验者Alexandra Gade说，该团队之所以用钙原子进行探测，是因为该原子大量的质子赋予它更强大的结合。

研究人员利用RIKEN的放射性同位素光束设施，通过将一束重锌原子核发射到铍靶标，将其分解。然后，他们使用一种非常精确的磁力分离器，对残骸中的大量原子核进行分类。研究小组共制造出8个新的富含中子的原子核，包括钙-59和钙-60，它们分别含有39和40个中子。为了产生两个钙-60，研究人员向靶标发射了数以千万亿次计的锌原子核。

新结果似乎打乱了初始化模型，该模型通常预测不应该存在钙-60。Gade说，事实上，这些数据表明用更多的中子制造钙原子核是可能的。在研究人员对35个模型进行比较后，最适合所有新数据的两个模型都预测，钙同位素存在钙-70，它将拥有多达50个中子。

Gade警示称，应谨慎对滴线做出任何笼统的概括。然而，Phillips说，他希望实验结果能更好地限制滴液线，这样实验者就不必简单地进行感觉。除了其重要性之外，滴线的位置可能对中子星天体物理学产生影响。例如，Gade说，恒星残骸外壳中的一些过程据认为可以产生滴线之外富含中子的原子核，所以这些密度极高的恒星的精确性质和结构可能取决于滴线的详细情况。

实验人员希望能找到更重的钙同位素，并制造出足够的原子核来研究其性质。到2022年，当密歇根州立大学完成其耗资7.3亿美元的新型加速器稀有同位素光束设备（FRIB）时，此类研究将变得更加容易。“当我们查看了FRIB的计算结果之后，应该能够看到钙-68和钙-70。”Gade说，“如果它们存在的话。”

（冯维维）