近日，中國科學(xué)院近代物理研究所的科研人員精確測量了一批奇特原子核的質(zhì)量，確定了鋁、磷、硫和氬元素的質(zhì)子滴線，并提出了一種基于原子核質(zhì)量揭示質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)的新方法。相關(guān)成果于11月27日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

原子核是由質(zhì)子和中子組成的量子多體系統(tǒng)，一般相鄰原子核的半徑都很接近。暈是弱束縛原子核中的奇異核結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為一個或多個價核子在空間分布上出現(xiàn)很長的拖尾，使得該原子核的半徑顯著大于臨近原子核。在此前的實驗研究中，中子暈發(fā)現(xiàn)較多，而質(zhì)子暈發(fā)現(xiàn)較少，這是因為庫侖勢壘的存在限制了質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)的形成，使得在實驗中指認(rèn)質(zhì)子暈核異常困難。

利用蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，研究團隊使用首創(chuàng)的“磁剛度識別等時性質(zhì)譜術(shù)”，首次精確測量了硅-23、磷-26、 硫-27和氬-31的質(zhì)量，并將硫-28的質(zhì)量精度提高了11倍。利用新的原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究團隊確定了鋁、磷、硫和氬元素的質(zhì)子滴線。

研究團隊還基于新測質(zhì)量提取了鏡像能差，發(fā)現(xiàn)在一些(近)質(zhì)子滴線核中出現(xiàn)了同位旋對稱性破缺。研究認(rèn)為，其物理原因是這些(近)質(zhì)子滴線核中可能存在質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)，該結(jié)論得到了相關(guān)理論計算的支持。

研究團隊基于該方法的分析，支持磷-26、27，硫-27、28等質(zhì)子暈候選核中存在質(zhì)子暈，同時首次提出氬-31是一個雙質(zhì)子暈核，澄清了基態(tài)的鋁-22不是一個質(zhì)子暈核等，為未來開展質(zhì)子暈核有關(guān)的實驗和理論研究指明了方向。

該研究明確提出，僅與原子核質(zhì)量相關(guān)的鏡像能差可作為探測同位旋對稱性破缺、揭示質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)的靈敏探針，這將有望促進(jìn)相關(guān)問題的進(jìn)一步研究。

近代物理所博士研究生于越和邢元明副研究員是論文的共同第一作者，近代物理所張玉虎研究員、王猛研究員以及德國重離子研究中心GSI的Yury Litvinov教授為通訊作者。研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)、科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團隊、國家自然科學(xué)基金委、甘肅省自然科學(xué)基金委等項目的支持。

圖1：鏡像核氬-31和鋁-31的核子分布示意圖，左側(cè)為弱束縛的豐質(zhì)子核氬-31，預(yù)測其存在明顯的暈結(jié)構(gòu)，右側(cè)為深束縛的豐中子核鋁-31。

圖2： 鏡像能差的計算結(jié)果。圖中實心/空心點代表束縛/非束縛核的實驗數(shù)據(jù)。虛線為庫倫能公式計算結(jié)果，實線為理論計算結(jié)果。基于新測質(zhì)量數(shù)據(jù)得到的實驗點用紅色圓圈標(biāo)注。