近日，中國科學(xué)院近代物理研究所科研人員依托蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，首次精確測量了極缺中子原子核硅-22的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在硅-22中質(zhì)子數(shù)14是一個新幻數(shù)。相關(guān)成果于7月2日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。當(dāng)原子核的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為2、8、20、28、50、82、126時，原子核會表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的性質(zhì)，因此這些數(shù)字被稱為“幻數(shù)”。20世紀(jì)40-50年代，物理學(xué)家梅耶(M. G. Mayer)和簡森(J. H. D. Jensen)等提出了原子核的殼模型，成功解釋了幻數(shù)的形成機制，因此獲得了1963年諾貝爾物理學(xué)獎。

近年來，隨著核物理研究向遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的奇特原子核推進(jìn)，人們在某些奇特核中發(fā)現(xiàn)了新幻數(shù)(例如中子數(shù)為14、16、32、34)的出現(xiàn)。然而這些新幻數(shù)幾乎都是中子幻數(shù)，新的質(zhì)子幻數(shù)在實驗上鮮有報道。

此前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在氧-22中(中子數(shù)為14，質(zhì)子數(shù)為8)，中子數(shù)14具有“幻數(shù)”特征。根據(jù)核結(jié)構(gòu)的鏡像對稱性，理論預(yù)言在氧-22的鏡像核硅-22(中子數(shù)為8，質(zhì)子數(shù)為14)中，質(zhì)子數(shù)14也應(yīng)該是一個幻數(shù)。硅-22是目前已知的最缺中子的硅同位素，由于其產(chǎn)生截面小、壽命短，在實驗中產(chǎn)生和測量均面臨較大挑戰(zhàn)，該理論預(yù)言一直未被實驗證實。

近代物理所原子核質(zhì)量測量研究團隊基于蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，利用改進(jìn)后的磁剛度識別等時性質(zhì)譜術(shù)，克服參考核極少的不利條件，成功測量了硅-22原子核的基態(tài)質(zhì)量，并將該團隊此前首次測量的硅-23質(zhì)量的精度提高了近7倍。研究結(jié)果表明，硅-22具有大于零的雙質(zhì)子分離能，是一個質(zhì)子滴線核，不存在雙質(zhì)子直接放射性，結(jié)束了長期以來的相關(guān)爭議。

基于新的質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究團隊提取出硅-22的質(zhì)子對能，并與鏡像核氧-22的中子對能等進(jìn)行系統(tǒng)性對比，揭示出新質(zhì)子幻數(shù)14的出現(xiàn)。該結(jié)果得到了當(dāng)前先進(jìn)核理論模型伽莫夫(Gamow)殼模型計算的支持。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然硅-22具有和氧-22相似的雙幻特性，但其結(jié)構(gòu)與氧-22存在輕微的對稱性破缺。

該研究深化了人們對奇特原子核結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，對理解原子核中核子之間相互作用、探索極端條件下原子核的存在邊界具有重要意義。

近代物理所邢元明副研究員和博士研究生羅胤芳是論文的共同第一作者，近代物理所張玉虎研究員、李健國副研究員和意大利國家核物理研究院(INFN)G. de Angelis教授為通訊作者。

該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、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：硅-22及其鏡像核氧-22結(jié)構(gòu)示意圖。通過硅-22的質(zhì)量測量，結(jié)合理論計算，科研人員揭示了硅-22具有與氧-22相似的雙幻結(jié)構(gòu)，但同時存在輕微的對稱破缺，具有更外延的質(zhì)子空間分布。(圖源/近代物理所)