双重神奇的发现

锆-80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。资料来源:稀有同位素光束设施

一组研究人员，包括来自美国国家超导回旋加速器实验室(NSCL)和密歇根州立大学稀有同位素束流设施(FRIB)的科学家，已经解决了锆-80质量缺失的问题。

公平地说，他们也破了这个案子。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，证明锆-80——一个在其核心或原子核中有40个质子和40个中子的锆原子——比预期的要轻。然后，frb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。

“核理论学家和实验学家之间的互动就像协调一致的舞蹈，”亚历克·哈梅克说，他是核物理实验室的研究生研究助理，也是该团队11月25日发表在《自然物理学》杂志上的研究的第一作者。“每个人轮流领导和跟随对方。”

“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，”frb实验室的资深科学家Ryan Ringle说，他是锆-80质量测量小组的成员。Ringle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的兼职副教授。

“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，”他说。

所以这个问题比一个原子核要大。在某种程度上，这是对frb威力的一次预展。frb是由美国能源部科学办公室核物理办公室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与frb的技术合作，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frb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，从帮助科学家更了解宇宙到改善癌症治疗。

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几十年。”

也就是说，锆-80本身就是一个非常有趣的原子核。

首先，这是一个很难制造的细胞核，但制造罕见的细胞核是nsclc的专长。该设备生产了足够的锆-80，使Ringle、Hamaker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nsscl的低能量束和离子阱(LEBIT)设备中使用了所谓的Penning阱质谱仪。

“人们以前测量过这个质量，但从来没有这么精确，”Hamaker说。“这揭示了一些有趣的物理现象。”

“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，”Ringle说。“原子核的质量不仅仅是质子和中子质量的总和。缺少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解释事物的地方。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。

当原子核有更多的束缚能量时，也就是它更紧地控制着质子和中子，它就会有更多的丢失质量。这有助于解释锆-80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frb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，理论家们怀疑锆-80原子核可能具有魔力。

每隔一段时间，一个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幻数。理论假设锆-80具有特殊数量的质子和中子，使它具有双重魔力。

早期的实验表明，锆-80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重魔力。通过迄今为止对锆-80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。

Hamaker说:“理论家早在30年前就预测锆-80是一个变形的双魔法原子核。”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，理论学家就可以计算出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、专业人员和全国一流的核物理研究生项目。

“我能够在国家用户设施现场工作，研究核科学的前沿课题，”哈梅克说。“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。该项目之所以取得成功，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。”