質量，是原子核的一種非常基本且重要的性質。 原子核集中了原子99.9%以上的質量，而各種各樣的原子構成了我們所處的物質世界，因此我們可以說，是原子核——承載了自然萬物的質量。
原子核雖然極其微小，內部結構卻并不簡單 。原子核是由核子(質子和中子)組成的量子多體系統。科學家尚未完全了解它的內部構造，比如：質子和中子在原子核中是如何分布的?原子核有哪些特別的形狀?具有不同質子或中子數的原子核，它們的核子結合的緊密程度遵循什么樣的規律......
實際上，每一種原子核都有其獨特的屬性。科學家們從不同維度，用不同方法來研究原子核的結構，試圖通過了解這種微觀的內在屬性，來揭示宇宙萬物的運行規律。
今天，我們要說的就是一種基于原子核質量，揭示原子核是否存在質子暈結構的新方法 。
圖 原子核模型示意圖，實際的原子核比例還要比這個小得多。圖源| 360百科
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奇異的核結構——暈
核子暈是一種非常有趣的奇異的核結構。 通常情況下，相鄰原子核的半徑都很接近，半徑會隨著核子數的增加而增大。但在1985年，實驗核物理學家卻發現了一個奇怪的現象：僅有3個質子和8個中子的鋰-11，竟然和擁有82個質子和126個中子的鉛-208大小差不多。
圖 鉛-208和鋰-11的對比示意圖，雖然兩者核子數目差異巨大，大小卻差不多。
進一步研究發現，原來是鋰-11中的兩個中子松散地結合在其余核子周圍，形成了如同光暈一般的中子暈，才使得鋰-11的半徑特別大。鋰-11是第一個經實驗觀察到的典型暈核。暈核的發現展示了原子核呈現出的多樣性，擴展了我們對原子核多體系統的認識。核物理學家們希望通過實驗來尋找更多的暈核。他們發現有些原子核擁有一個中子構成的暈，有些則擁有由兩個中子構成的暈。在實驗上，中子暈核發現較多，而質子暈核發現較少。 這是因為質子帶正電荷，而中子不帶電，質子間庫侖力的排斥作用使得質子暈的形成條件比中子暈苛刻得多 。即使質子暈能夠形成，一般也比中子暈要小得多。
圖 本工作發表前實驗確定的暈核，以及可能具有暈結構的候選原子核(待實驗確定)。圖源| Zhang, K. Y., et al. (2023).Physical Review C 107(4).，有改動
在實驗中指認質子暈核存在相當的困難。 如同鋰-11，典型暈核的特征是半徑要比具有相近核子數的原子核要大得多。但如果質子暈核的半徑特征不那么明顯，傳統的實驗方法就很難指認了。這給研究人員出了一個大難題，應該如何來觀察如此細微的結構呢?
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尋找質子暈核的新方法
原子核質量的高精度測量，為探索質子暈核提供了新思路。設想當核子一個接一個地結合成束縛的原子核時，會一次又一次地釋放出能量，釋放能量的多少，反映出核子結合的細節，比如緊密程度。愛因斯坦著名的質能方程式告訴我們，能量和質量可以相互轉化，這意味著通過精確測量原子核的質量，可以窺探到原子核內部結構的奧秘。在11月27日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)的一篇研究中，中國科學院近代物理研究所的科研團隊及合作者，提出了一種基于原子核質量揭示質子暈結構的新方法。利用蘭州重離子加速器冷卻儲存環，研究團隊使用首創的“磁剛度識別等時性質譜術 ”，首次測量了硅-23、磷-26、硫-27和氬-31的質量，并將硫-28的質量精度提高了11倍。利用新的原子核質量數據，研究團隊確定了磷、硫和氬元素的質子滴線。
圖 用于儲存離子的蘭州重離子加速器冷卻儲存環及其配備的飛行時間探測器示意圖。科研人員通過精確測量離子在儲存環中運動的速度和周期，獲取它們的高精度質量信息。圖源| 近代物理所
基于全新的質量數據，研究團隊還提取了一種叫做“鏡像能量差”的物理量 。這個物理量反映了一對鏡像核(也就是質子數和中子數互換的一對原子核)之間核子結合方式的差異。如果質子數較多的原子核具有質子暈結構，而中子數較多的鏡像核沒有暈結構的話，就會呈現出鏡像對稱性破缺，進而在這個物理量上體現出差異。利用鏡像能量差，研究團隊發現靠近質子滴線的原子核中確實出現了鏡像對稱性破缺。這背后的物理原因是這些原子核中可能存在質子暈結構，該結論得到了相關理論計算的支持。基于此，研究團隊首次提出氬-31是一個雙質子暈核，它最外層的兩個質子會形成松散的質子暈。此外，研究還支持磷-26、27，硫-27、28等質子暈候選核中存在質子暈，澄清了基態的鋁-22不是一個質子暈核，但其第一個1+激發態具有質子暈結構等。這些結論為未來有針對性地開展質子暈有關的實驗和理論研究指明了方向。
圖 基于本項研究得到的一對鏡像核——氬-31(18個質子和13個中子)和鋁-31(13個質子和18個中子)的核子分布想象圖。左側為弱束縛的豐質子核氬-31，顯示其存在明顯的雙質子暈結構。圖源| 近代物理所這項研究明確提出，原子核質量可以作為探測鏡像對稱性破缺、揭示質子暈結構的靈敏探針。 這如同為核物理學家在迷霧中豎起了一盞明燈，將可能具有質子暈結構的原子核顯露出來。
