透過將一套強大的儀器與一些實驗技巧相結合，物理學家首次探測到氧-28——一種氧同位素，其原子核中包含了12個額外的中子。科學家長期以來預測這種同位素異常穩定。但最初對28O原子核的觀測表明情況並非如此：一個團隊今天在《自然》雜誌上報告說，它在產生後迅速衰變。如果結果可以被複制，物理學家可能需要更新原子核結構理論。
宇宙中最強大的力是將原子核中的質子和中子結合在一起的力。東京工業大學物理學家中村隆司說，為了解開元素的形成方式、中子星物理學等奧秘，科學家需要更好地理解這種強大的核力。他和其它的研究人員正在透過將原子核推向極端來測試關於原子核如何結合在一起的理論。一種流行的方法是將輕質原子核（如氧）載入過量的中子，看看會發生什麼。
目前的理論指出，具有特定質子數和中子數的原子核本質上是穩定的。這是因為質子和中子填充了原子核中的“殼層”。當一個殼層被恰好數量的質子或中子填滿時，就變得非常難以新增或移除粒子。這些是“幻數”，並且一直被認為包括 2、8、20、28、50、82 和 126 個粒子。如果一個原子核同時具有幻數的中子和質子，它就會變成“雙幻核”——因此更加穩定。
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最豐富的氧形式16O 是雙幻核，因為其具有 8 個質子和 8 箇中子。擁有 8 個質子和 20 箇中子的氧-28 長期以來也被預測為雙幻核。但物理學家此前一直未能探測到它。
幽靈獵手
觀測28O 需要幾項實驗壯舉。整個操作的關鍵是日本和光市理化學研究所放射性同位素束工廠產生的強烈的放射性同位素流。科學家們向鈹靶發射鈣-48 同位素束，產生了氟-29 同位素。這種同位素的原子核比28O 多一個質子，但中子數相同。科學家們接下來將29F 撞擊到厚厚的液氫屏障中，從原子核中敲出一個質子，從而生成了28O。
這種罕見的氧形式壽命太短，無法直接觀測到。相反，該團隊探測到了它的衰變產物：氧-24 加上四個中子，這一測量在幾年前似乎還不可能實現。
同時測量多達兩個中子已經完成，但這是科學家首次同時探測到四個中子，中村說。“它們就像幽靈，”他談到中子時說。由於沒有電荷，中子無法像質子那樣被控制（24O 具有八個帶正電荷的質子，可以用磁鐵引導到探測器中）。為了觀察單箇中子，該團隊使用了專門為此目的建造的強大探測器，該探測器從德國達姆施塔特 GSI亥姆霍茲重離子研究中心借用，此外還有理化學研究所的儀器。在這個專用探測器中，當入射中子撞擊質子時，它們就會被揭示出來。中村說，該研究的第一作者，東京工業大學物理學家近藤洋介，使用了模擬來幫助驗證這些棘手的測量。
“他們真的做了功課，”北卡羅來納大學教堂山分校的物理學家羅伯特·詹森斯說。“他們做了所有你能做的檢查。這是一場絕技表演。”
原子極限
儘管該團隊未能獲得28O 壽命的精確測量值，但中村說，該同位素的表現不像它是雙幻核——它幾乎在產生後立即瓦解。
“我很驚訝，”他說。“我個人認為它是雙幻核。但這就是自然所說的。”
加拿大哈利法克斯聖瑪麗大學的物理學家裡圖帕納·卡努戈說，這不是第一次暗示核物理學家的幻數列表並非普遍適用。她所在的科學家團隊在 2009 年表明，24O——與核規則書相反——具有表現得好像是雙幻核的原子核。它的 8 個質子和 16 箇中子牢固地結合在一起，使其具有相對較長的壽命——24O 透過放射性衰變消失一半大約需要 61 毫秒。這意味著在某些原子核中，如果它們結合牢固，16 也可能是一個幻數。
“幻數不是不可改變的，”詹森斯說。
目前，28O 的令人困惑的特性引發了一系列關於將原子核結合在一起的力的問題。物理學家們正在幻想可能的下一步。中村想看看是否有可能探測到氧-30。由於不同同位素的穩定性是一個相對測量值，將28O 與這種更重但尚未見過的近鄰進行比較將很有幫助。
“它既簡單又複雜，”詹森斯說。“我們目前不知道你可以將多少質子和中子組合在一個原子核中”並讓它們保持結合在一起，他補充道。“換句話說，極限是什麼？”
本文經許可轉載，最初於 2023 年 8 月 30 日首次發表於《自然》雜誌。