通过将一套强大的仪器与一些实验技巧相结合，物理学家首次探测到氧-28——一种氧同位素，其原子核中包含了12个额外的中子。科学家长期以来预测这种同位素异常稳定。但最初对28O原子核的观测表明情况并非如此：一个团队今天在《自然》杂志上报告说，它在产生后迅速衰变。如果结果可以被复制，物理学家可能需要更新原子核结构理论。
宇宙中最强大的力是将原子核中的质子和中子结合在一起的力。东京工业大学物理学家中村隆司说，为了解开元素的形成方式、中子星物理学等奥秘，科学家需要更好地理解这种强大的核力。他和其它的研究人员正在通过将原子核推向极端来测试关于原子核如何结合在一起的理论。一种流行的方法是将轻质原子核（如氧）加载过量的中子，看看会发生什么。
目前的理论指出，具有特定质子数和中子数的原子核本质上是稳定的。这是因为质子和中子填充了原子核中的“壳层”。当一个壳层被恰好数量的质子或中子填满时，就变得非常难以添加或移除粒子。这些是“幻数”，并且一直被认为包括 2、8、20、28、50、82 和 126 个粒子。如果一个原子核同时具有幻数的中子和质子，它就会变成“双幻核”——因此更加稳定。
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最丰富的氧形式16O 是双幻核，因为其具有 8 个质子和 8 个中子。拥有 8 个质子和 20 个中子的氧-28 长期以来也被预测为双幻核。但物理学家此前一直未能探测到它。
幽灵猎手
观测28O 需要几项实验壮举。整个操作的关键是日本和光市理化学研究所放射性同位素束工厂产生的强烈的放射性同位素流。科学家们向铍靶发射钙-48 同位素束，产生了氟-29 同位素。这种同位素的原子核比28O 多一个质子，但中子数相同。科学家们接下来将29F 撞击到厚厚的液氢屏障中，从原子核中敲出一个质子，从而生成了28O。
这种罕见的氧形式寿命太短，无法直接观测到。相反，该团队探测到了它的衰变产物：氧-24 加上四个中子，这一测量在几年前似乎还不可能实现。
同时测量多达两个中子已经完成，但这是科学家首次同时探测到四个中子，中村说。“它们就像幽灵，”他谈到中子时说。由于没有电荷，中子无法像质子那样被控制（24O 具有八个带正电荷的质子，可以用磁铁引导到探测器中）。为了观察单个中子，该团队使用了专门为此目的建造的强大探测器，该探测器从德国达姆施塔特 GSI亥姆霍兹重离子研究中心借用，此外还有理化学研究所的仪器。在这个专用探测器中，当入射中子撞击质子时，它们就会被揭示出来。中村说，该研究的第一作者，东京工业大学物理学家近藤洋介，使用了模拟来帮助验证这些棘手的测量。
“他们真的做了功课，”北卡罗来纳大学教堂山分校的物理学家罗伯特·詹森斯说。“他们做了所有你能做的检查。这是一场绝技表演。”
原子极限
尽管该团队未能获得28O 寿命的精确测量值，但中村说，该同位素的表现不像它是双幻核——它几乎在产生后立即瓦解。
“我很惊讶，”他说。“我个人认为它是双幻核。但这就是自然所说的。”
加拿大哈利法克斯圣玛丽大学的物理学家里图帕纳·卡努戈说，这不是第一次暗示核物理学家的幻数列表并非普遍适用。她所在的科学家团队在 2009 年表明，24O——与核规则书相反——具有表现得好像是双幻核的原子核。它的 8 个质子和 16 个中子牢固地结合在一起，使其具有相对较长的寿命——24O 通过放射性衰变消失一半大约需要 61 毫秒。这意味着在某些原子核中，如果它们结合牢固，16 也可能是一个幻数。
“幻数不是不可改变的，”詹森斯说。
目前，28O 的令人困惑的特性引发了一系列关于将原子核结合在一起的力的问题。物理学家们正在幻想可能的下一步。中村想看看是否有可能探测到氧-30。由于不同同位素的稳定性是一个相对测量值，将28O 与这种更重但尚未见过的近邻进行比较将很有帮助。
“它既简单又复杂，”詹森斯说。“我们目前不知道你可以将多少质子和中子组合在一个原子核中”并让它们保持结合在一起，他补充道。“换句话说，极限是什么？”
本文经许可转载，最初于 2023 年 8 月 30 日首次发表于《自然》杂志。