质子和中子的“幻数”可以使原子核异常稳定——一个新的幻数刚刚被添加到现有的系列中，这有助于更全面地描绘原子复杂的内部运作。通过高速撞击原子核束，研究人员发现，当钙原子核中有 34 个中子时，情况会非常平静——至少持续几毫秒。这一发现颠覆了科学家们之前关于幻数的某些概念，并为核物理学开辟了新的研究方向。
在原子核内部，质子和中子填充在不同的“桶”（称为壳层）中，每个壳层都具有不同的能级，只能容纳一定数量的粒子。当原子核的粒子完全填满其壳层，没有剩余空间添加更多粒子时，它就拥有幻数个质子或中子，这使其比其他原子核更稳定、寿命更长。但是，当相对于质子数量而言，中子数量过多时，幻数的表现并不完全如预期。（大多数稳定版本的元素，称为同位素，具有大致相等的质子和中子数。）
在这个放射性同位素的另类领域中，幻数似乎并非如此。例如，20 被认为是中子的标准幻数。但是，同位素32镁，具有 12 个质子和 20 个中子，结果证明是不稳定的，没有任何幻核应有的特性。28氧也是如此——具有 8 个质子和 20 个中子，原本预计会紧密结合，但经过进一步检查，结果证明并非如此。“几年前，没有人会押宝说情况会是这样，但事实就是如此，”阿贡国家实验室的核物理学家罗伯特·詹森斯说。“这是我们目前需要理解的挑战之一。”
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关于54钙的稳定性存在很多不确定性，它有 20 个质子和 34 个中子。由于中子如此过剩，这种同位素在自然界中并不常见。相反，它是在日本 RIKEN 仁科中心和东京大学核科学研究中心联合运营的放射性同位素束工厂制造的。研究人员将高强度55钪核束（具有 21 个质子）投射到铍靶上，铍靶从钪核上敲掉一个质子，从而产生54钙。“目前唯一可以做到这一点的地方是日本的这台机器，它可以产生世界上最强的主要粒子束，”詹森斯说，他没有参与这项研究，但称其为“重大发展”。
为了确定54钙是否具有幻核地位（也就是说，它是否具有幻数个质子和中子），科学家们需要深入挖掘。当涉及到富中子同位素时，拥有完整的壳层不足以构成幻数；决定完整壳层是否赋予稳定性的，是一个壳层与另一个壳层之间的能量差异——即其能隙。更大的能隙使得激发原子核并将中子提升到下一个可用壳层变得更加困难，从而使其有动力保持现状——换句话说，即稳定性。
对于钙原子中的中子，一些研究小组预测 34 将达到幻数地位，但其他研究人员的模型预测结果相反。“我们真的不确定是否会存在这个幻数，”东京大学的研究负责人大卫·斯特彭贝克说。该团队轰击54钙，使其达到下一个壳层，称为激发态，然后让其衰变回其较低能量的壳层，在此过程中释放出伽马射线。这些伽马射线的能量揭示了两个状态之间有多少能隙。“在54钙的情况下，第一个激发态位于相当高的能量，”斯特彭贝克说，这意味着 34 确实是一个幻数——该团队在 10 月 10 日出版的《自然》杂志上报道了这一事实。（大众科学是自然出版集团的一部分。）
虽然这意味着54钙比多一个或少一个中子的同位素稍微稳定一些，但原子核仍然是放射性的，并且倾向于在几毫秒内衰变。然而，这在恒星中心内部是相对较长的时间，那里的核反应发生在更短的时间尺度上。与其他同位素相比，其更长的寿命意味着54钙可能在宇宙中创造重元素的反应中发挥超乎寻常的作用。
这项发现使科学家能够探测质子和中子之间的相互作用如何影响壳层之间的能隙，并使原子核更稳定或更不稳定。“从核结构物理学领域开始以来，我们一直受限于只能详细研究大约 350 种稳定同位素——我们可以从地下挖掘出来的那些，”佛罗里达州立大学的核物理学家保罗·科特尔说。“自 20 世纪 90 年代以来，我们才能够仔细研究数千种已知的短寿命放射性同位素。这项实验中解决的重大问题是深入了解质子和中子如何在原子核中相互作用。”
科学家们希望最终绘制出稳定性的极限，并确定哪些原子核可以存在，哪些不能存在。“从科学上讲，这非常有趣，”加州大学洛杉矶分校的化学家和化学哲学家埃里克·瑟瑞说。“核幻数有点让步了——教条开始瓦解，游戏规则必须扩大。当你将事物推向更极端的领域时，新的科学就会出现。”