1905年，爱因斯坦的狭义相对论和质能等价理论触发了一场革命。根据著名的质能方程，E = mc²，其中E是能量、m是质量、c是光速，我们知道了能量和物质是等价的，尽管这只在极端条件下才变得显而易见，比如在原子的核心处。
原子核是由质子和中子构成的，但它的质量却不仅仅是质子和中子质量的总和，其中还存在一部分缺失的质量——它表现为使原子核聚集在一起的能量。这种原子核的总能量与其组成部分的能量之差，就被称为结合能。当一个原子核的结合能更高，就意味着它能更紧密地束缚着质子和中子，缺失的质量也越大。
原子核的质量比其含有的质子和中子质量之和要轻，缺失的质量通过E=mc²转化为结合能，结合能负责将原子核结合在一起。| 图片来源：Facility for Rare Isotope Beams
现在，在一项于近期发表在《自然-物理》杂志上的研究中，一个由理论物理学家和实验物理学家组成的研究团队在质能方程框架的“协助”下，利用美国国家超导回旋加速器实验室（NSCL）超强的制造和分析稀有同位素的能力，解决了一个与锆-80原子核（⁸⁰Zr，含有40个质子和40个中子）的质量缺失有关的谜题。
在自然界中，大多数原子拥有对称的球形原子核，中子和质子均匀地分布在整个原子核中。但对于有些元素来说，它们的原子核可能有着其他的形状。随着中子数量的增加，原子核的形状会变形成椭球体，从而使得结合能增加。
理解原子核的结构演化机制是核物理学中的一项重大挑战。原子序数为80左右的核素，是对原子核的一些基本概念进行探索的重要研究对象。在这一区域的原子核的性质，会随着质子数和中子数的变化而迅速改变，这些变化可以通过测量原子核的质量来探测。
从过去的一些实验研究中，我们已经知道锆-80的原子核形状就并非球体，而是更像一颗橄榄球。这是一种非常有趣的稀有同位素，它的原子核紧密地结合在一起，非常难以被人为地制造。
在过往的研究中，物理学家也曾试图对锆-80的质量进行测量，但那些测量的精度并没有带来什么重大的令科学家惊喜的结果。直到现在，善于制造罕见原子核的NSCL生产了足够多的锆-80，使得研究人员得以在低能量束和离子阱设备中使用彭宁阱质谱仪，以前所未有的精度对它们的质量进行了测量。
如此高精度的测量结果让研究人员发现了一些有趣的现象。他们发现，锆-80的原子核质量比预期的要轻。换句话说，锆-80的结合能比物理学家以为的还要更大，其原子核的紧密结合程度比预期的更强。
那么这一意外的质量缺失源自何处？研究团队中的理论物理学家将目光投向了30多年前的一个理论预测。
当时，有物理学家怀疑锆-80原子核可能具有“魔力”。具体说来，科学家时不时就会发现某个特定的原子核会因为拥有特定数量的质子或中子，而违背它原本的预期质量。物理学家将这些质子数和中子数称为“幻数”，这些“幻数”对应于可以使原子核更加稳定的填满了的核壳层。
当时的理论预测认为，锆-80是一个形状出现了畸变的“双幻核”，具有特殊数量的质子数和中子数，这使得它的“魔力”翻倍。自那之后，实验物理学家便试图找到能够证明这种假设的证据。
现在，通过迄今为止对锆-80质量的最精确测量，科学家用可靠的数据来支持了这种想法。而理论物理学家也利用先进的核模型和新的统计方法，解释了这一部分的缺失。
这是核物理理论学家和实验学家之间的默契合作的一场胜利。他们共同主导了一场相互协作的“舞蹈”，每方轮流扮演领舞和跟随者的角色。有时，理论会提前做出预测，而有时候实验会发现意想不到的新东西。他们相互推动，使我们对原子核有了更好的理解。
原子核基本上构成了我们所接触的一切，因此，这项研究解决的问题实际上有着非常基础而深远的物理意义。研究人员表示，新研究中所涉及的稀有同位素制造技术，将有望让来自世界各地的从事与核研究有关的科学家聚集到一起，从而使这些知识具有更加广泛的应用，从帮助我们解开宇宙之谜到改善癌症治疗。
#创作团队：
文：小雨
#参考来源：
https://msutoday.msu.edu/news/2021/doubly-magic-discovery
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01395-w
#图片来源：
封面图：Facility for Rare Isotope Beams
发表于 2021-11-29 22:11
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