近日，德國美因茨約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué)(JGU)核物理研究所A1合作組與中國、日本科學(xué)家攜手，在電子散射實驗中首次成功產(chǎn)生并測量中子豐度極高的氫同位素?H(氫-6)，實驗結(jié)果顯示原子核內(nèi)中子之間的相互作用強(qiáng)于預(yù)期。這一成果為研究輕的、富含中子的原子核提供了新方法，并挑戰(zhàn)了當(dāng)前對多核子相互作用的理解。

該實驗在美因茨微加速器(MAMI)的光譜儀設(shè)施上進(jìn)行。JGU核物理研究所的Josef Pochodzalla教授強(qiáng)調(diào)：“這項測量的完成得益于MAMI電子束的卓越質(zhì)量與A1合作組三臺高分辨率光譜儀的獨特組合。”參與此次實驗的研究人員來自中國上海復(fù)旦大學(xué)以及日本仙臺東北大學(xué)和東京大學(xué)，實驗由博士生邵天浩領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)成果已發(fā)表在《物理評論快報》上。

核物理學(xué)中，一個原子核能結(jié)合多少個中子和給定數(shù)量的質(zhì)子是基本問題之一。對于僅含一個質(zhì)子的氫同位素，除常見的氘核和氚核外，人們還觀測到從?H到?H的幾種富含中子的同位素。其中，極重氫同位素?H(由一個質(zhì)子和五個中子組成)和?H(多一個中子)擁有已知的最高中子質(zhì)子比，是解答上述問題的獨特系統(tǒng)。然而，關(guān)于這些奇異原子核的實驗數(shù)據(jù)稀缺，結(jié)果存在爭議，尤其是?H基態(tài)能量高低的問題長期爭論不休。

為產(chǎn)生氫同位素?H，A1合作組與中國、日本科學(xué)家合作開發(fā)了新方法。該方法中，能量為855兆電子伏特(MeV)的電子束撞擊鋰靶，通過兩步過程產(chǎn)生氫同位素：首先，鋰原子核中的一個質(zhì)子因與電子相互作用而被共振激發(fā)，并迅速衰變?yōu)橐粋€中子和一個帶正電的π介子;若該中子隨后將能量轉(zhuǎn)移給原子核內(nèi)的另一個質(zhì)子，就能與殘余原子核一起形成富含中子的氫同位素?H，而π介子和質(zhì)子則離開原子核，與散射電子一起被三臺磁譜儀同時探測到。

為達(dá)到這一罕見工藝的足夠生產(chǎn)率，電子束沿45毫米長的一側(cè)穿過一塊45毫米長、0.75毫米厚的鋰板，這與通常使用沿光束軸方向非常薄的靶材、電子束撞擊與其傳播方向垂直的寬闊表面的電子散射實驗常規(guī)做法不同。這種特殊裝置得益于MAMI卓越的光束質(zhì)量，尤其是高度聚焦和穩(wěn)定的電子束。同時，處理鋰材料也是一大挑戰(zhàn)，因其具有高度化學(xué)反應(yīng)性、機(jī)械易碎性且對溫度敏感。

在為期四周的測量活動中，每天大約觀察到一次相關(guān)事件。這是MAMI罕見的實驗之一，A1實驗大廳中的三臺高分辨率光譜儀同時以巧合模式運行，可同時探測到三個粒子。這種復(fù)雜裝置實現(xiàn)了前所未有的精度，同時保持了極低的背景噪聲。

新的測量結(jié)果提供了基態(tài)能量極低的?H的清晰信號，表明6H中中子之間的相互作用比近期理論計算的預(yù)期更強(qiáng)，這一結(jié)果挑戰(zhàn)了我們對中子豐度極高系統(tǒng)中多核子相互作用的理解。

該實驗由德國研究基金會(DFG)資助，作為中國國家重點研發(fā)計劃的一部分，并獲得歐盟“地平線2020”研究與創(chuàng)新資助計劃的資助，中國國家自然科學(xué)基金委員會和日本學(xué)術(shù)振興會(JSPS)也提供了進(jìn)一步支持。