質子和中子的“幻數”可以使原子核異常穩定——一個新的幻數剛剛被新增到現有的系列中，這有助於更全面地描繪原子複雜的內部運作。透過高速撞擊原子核束，研究人員發現，當鈣原子核中有 34 箇中子時，情況會非常平靜——至少持續幾毫秒。這一發現顛覆了科學家們之前關於幻數的某些概念，併為核物理學開闢了新的研究方向。
在原子核內部，質子和中子填充在不同的“桶”（稱為殼層）中，每個殼層都具有不同的能級，只能容納一定數量的粒子。當原子核的粒子完全填滿其殼層，沒有剩餘空間新增更多粒子時，它就擁有幻數個質子或中子，這使其比其他原子核更穩定、壽命更長。但是，當相對於質子數量而言，中子數量過多時，幻數的表現並不完全如預期。（大多數穩定版本的元素，稱為同位素，具有大致相等的質子和中子數。）
在這個放射性同位素的另類領域中，幻數似乎並非如此。例如，20 被認為是中子的標準幻數。但是，同位素32鎂，具有 12 個質子和 20 箇中子，結果證明是不穩定的，沒有任何幻核應有的特性。28氧也是如此——具有 8 個質子和 20 箇中子，原本預計會緊密結合，但經過進一步檢查，結果證明並非如此。“幾年前，沒有人會押寶說情況會是這樣，但事實就是如此，”阿貢國家實驗室的核物理學家羅伯特·詹森斯說。“這是我們目前需要理解的挑戰之一。”
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關於54鈣的穩定性存在很多不確定性，它有 20 個質子和 34 箇中子。由於中子如此過剩，這種同位素在自然界中並不常見。相反，它是在日本 RIKEN 仁科中心和東京大學核科學研究中心聯合運營的放射性同位素束工廠製造的。研究人員將高強度55鈧核束（具有 21 個質子）投射到鈹靶上，鈹靶從鈧核上敲掉一個質子，從而產生54鈣。“目前唯一可以做到這一點的地方是日本的這臺機器，它可以產生世界上最強的主要粒子束，”詹森斯說，他沒有參與這項研究，但稱其為“重大發展”。
為了確定54鈣是否具有幻核地位（也就是說，它是否具有幻數個質子和中子），科學家們需要深入挖掘。當涉及到富中子同位素時，擁有完整的殼層不足以構成幻數；決定完整殼層是否賦予穩定性的，是一個殼層與另一個殼層之間的能量差異——即其能隙。更大的能隙使得激發原子核並將中子提升到下一個可用殼層變得更加困難，從而使其有動力保持現狀——換句話說，即穩定性。
對於鈣原子中的中子，一些研究小組預測 34 將達到幻數地位，但其他研究人員的模型預測結果相反。“我們真的不確定是否會存在這個幻數，”東京大學的研究負責人大衛·斯特彭貝克說。該團隊轟擊54鈣，使其達到下一個殼層，稱為激發態，然後讓其衰變回其較低能量的殼層，在此過程中釋放出伽馬射線。這些伽馬射線的能量揭示了兩個狀態之間有多少能隙。“在54鈣的情況下，第一個激發態位於相當高的能量，”斯特彭貝克說，這意味著 34 確實是一個幻數——該團隊在 10 月 10 日出版的《自然》雜誌上報道了這一事實。（大眾科學是自然出版集團的一部分。）
雖然這意味著54鈣比多一個或少一箇中子的同位素稍微穩定一些，但原子核仍然是放射性的，並且傾向於在幾毫秒內衰變。然而，這在恆星中心內部是相對較長的時間，那裡的核反應發生在更短的時間尺度上。與其他同位素相比，其更長的壽命意味著54鈣可能在宇宙中創造重元素的反應中發揮超乎尋常的作用。
這項發現使科學家能夠探測質子和中子之間的相互作用如何影響殼層之間的能隙，並使原子核更穩定或更不穩定。“從核結構物理學領域開始以來，我們一直受限於只能詳細研究大約 350 種穩定同位素——我們可以從地下挖掘出來的那些，”佛羅里達州立大學的核物理學家保羅·科特爾說。“自 20 世紀 90 年代以來，我們才能夠仔細研究數千種已知的短壽命放射性同位素。這項實驗中解決的重大問題是深入瞭解質子和中子如何在原子核中相互作用。”
科學家們希望最終繪製出穩定性的極限，並確定哪些原子核可以存在，哪些不能存在。“從科學上講，這非常有趣，”加州大學洛杉磯分校的化學家和化學哲學家埃裡克·瑟瑞說。“核幻數有點讓步了——教條開始瓦解，遊戲規則必須擴大。當你將事物推向更極端的領域時，新的科學就會出現。”