双魔幻的发现

诸平

The deformed nucleus of zirconium-80 is lighter than the sum of the masses of its 40 protons and 40 neutrons. The missing mass is converted into binding energy through E=mc². The binding energy is responsible for holding the nucleus together. Credit: Facility for Rare Isotope Beams

据美国密歇根州立大学（Michigan State University）2021年11月26日提供的消息（A doubly magic discovery），来自美国国家超导回旋加速器实验室(National Superconducting Cyclotron Laboratory简称NSCL) 和密歇根州立大学的稀有同位素束装置(Facility for Rare Isotope Beams简称FRIB)的研究人员合作，已经解决了锆-80丢失质量（zirconium-80's missing mass）的问题。锆-80（⁸⁰Zr）的变形核比它的40个质子和40个中子的质量之和还要轻。丢失的质量通过E=mc²转化为结合能。结合能负责将原子核结合在一起(见上图所示)。

公平地说，他们也破解了这个谜题。实验人员利用NSCL无与伦比的制造和分析稀有同位素的能力，证明⁸⁰Zr (一个在其原子核中有40个质子和40个中子的锆原子)比预期的要轻。然后，FRIB的理论学家能够利用先进的核模型和新的统计方法来解释这一缺失的部分。相关研究结果于2021年11月25日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——A. Hamaker, E. Leistenschneider, R. Jain, G. Bollen, S. A. Giuliani, K. Lund, W. Nazarewicz, L. Neufcourt, C. R. Nicoloff, D. Puentes, R. Ringle, C. S. Sumithrarachchi, I. T. Yandow. Precision mass measurement of lightweight self-conjugate nucleus ⁸⁰Zr. Nature Physics, Published: 25 November 2021. DOI: 10.1038/s41567-021-01395-w. http://www.nature.com/articles/s41567-021-01395-w. 参与该研究的科研人员除了来自密歇根州立大学之外，还有来自意大利特兰托的欧洲核物理及有关领域理论研究中心（European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas, Trento, Italy）以及英国萨里大学（University of Surrey, UK）的研究人员。该论文的第一作者、FRIB的一名研究生研究助理亚历克·哈梅克（Alec Hamaker）说：“核理论学家和实验学家之间的互动就像协调一致的舞蹈，每个人轮流领头和跟随另一个人。”

⁸⁰Zr质量测量小组的成员、FRIB实验室的资深科学家瑞安·林格尔（Ryan Ringle）说：“有时候理论会提前做出预测，而有时候实验会发现意想不到的东西。”瑞安·林格尔同时也是FRIB和密歇根州立大学自然科学学院物理和天文系（MSU’s Department of Physics and Astronomy in the College of Natural Science）的兼职物理学副教授。他说：“它们相互推动，这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。”所以这个问题比一个原子核要大。在某种程度上，这是对FRIB威力的一次预展。FRIB是由美国能源部科学办公室核物理办公室（Office of Nuclear Physics in the U.S. Department of Energy Office of Science）支持的核科学用户设施。

当用户操作在明年开始时，来自世界各地的核科学家将有机会使用FRIB技术开展工作，制造在其他地方无法研究的稀有同位素。他们还将有机会与FRIB的专家合作，了解这些研究的结果及其影响。这些知识有广泛的应用，从帮助科学家更多地了解宇宙到改善癌症治疗。

瑞安·林格尔说:“随着我们进入FRIB时代，我们可以进行我们在这里所做的测量，以及更多的测量。我们可以更进一步，这里有足够的能力让我们学习数十年。”

也就是说，⁸⁰Zr本身就是一个非常有趣的原子核。首先，这是一种很难制造的原子核，但制造罕见的原子核是NSCL的专长。该设备生产了足够的⁸⁰Zr，使瑞安·林格尔、亚历克·哈梅克和他们的同事能够以前所未有的精度确定其质量。为了做到这一点，他们在NSCL的低能量束和离子阱(LEBIT)设备中使用了所谓的彭宁阱质谱仪（Penning trap mass spectrometer）。

亚历克·哈梅克说：“人们以前测量过这个质量，但从来没有这么精确，这揭示了一些有趣的物理现象。”

瑞安·林格尔说：“当我们在这个精确的水平上进行质量测量时，我们实际上是在测量缺失的质量。原子核的质量不仅仅是质子和中子质量的总和。丢失的质量表现为使原子核聚集在一起的能量。”

这就是科学上最著名的方程之一帮助进行解释之处。在爱因斯坦的E = mc²中，E代表能量，m代表质量，c代表光速。这意味着质量和能量是相等的，尽管这只有在极端条件下才会变得明显，比如在原子的核心处。

当原子核有更多的结合能时，意味着它对质子和中子的控制更紧，它就会失去更多的质量。这有助于解释⁸⁰Zr的情况。它的原子核是紧密结合在一起的，这个新的测量结果显示，这种结合甚至比预期的还要强。

这意味着FRIB的理论家必须找到一个解释，他们可以求助于几十年前的预测来帮助提供答案。例如，理论家们怀疑⁸⁰Zr原子核可能具有魔幻。某些特定的原子核就会因为拥有特定数量的质子或中子而违背它的质量预期，物理学家把这些称为魔幻数（magic numbers）。理论假设⁸⁰Zr具有特殊数量的质子和中子，使它具有双魔幻（doubly magic）。

早期的实验表明，⁸⁰Zr的形状更像橄榄球或美式足球，而不是球体。理论学家预测，这种形状可能会产生这种双魔幻。通过迄今为止对⁸⁰Zr质量最精确的测量，科学家们可以用可靠的数据来支持这些想法。

亚历克·哈梅克说:“理论家早在30年前就预测⁸⁰Zr是一个变形的双魔幻原子核（doubly-magic nucleus）。实验主义者花了一些时间来学习这种舞蹈，并为理论学家提供证据。既然证据已经存在，理论学家们就可以计算出在这种舞蹈中接下来的几个步骤了。”

因此，舞蹈继续，延伸这个比喻，NSCL, FRIB和密歇根州立大学为它提供了最好的舞厅之一。它拥有独一无二的设施、专业人员和全美国一流的核物理研究生项目。

亚历克·哈梅克说：“我能够在国家用户设施现场工作，研究核科学的前沿课题。这段经历让我与实验室的许多工作人员和研究人员建立了关系，并向他们学习。该项目之所以获得成功，是因为他们对科学的投入和实验室的设施和设备处于世界领先水平。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Protons and neutrons in the atomic nucleus move in shells analogous to the electronic shell structures of atoms. The nuclear shell structure varies as a result of changes in the nuclear mean field with the number of neutrons N and protons Z, and these variations can be probed by measuring the mass differences between nuclei. The N = Z = 40 self-conjugate nucleus ⁸⁰Zr is of particular interest, as its proton and neutron shell structures are expected to be very similar, and its ground state is highly deformed. Here we provide evidence for the existence of a deformed double-shell closure in ⁸⁰Zr through high-precision Penning trap mass measurements of ^80–83Zr. Our mass values show that ⁸⁰Zr is substantially lighter, and thus more strongly bound than predicted. This can be attributed to the deformed shell closure at N = Z = 40 and the large Wigner energy. A statistical Bayesian-model mixing analysis employing several global nuclear mass models demonstrates difficulties with reproducing the observed mass anomaly using current theory.