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科学家创造出极其稀有的氢-6同位素挑战核物理学

文章来源：新能源网更新时间：2025-05-19 16:48:55

美因茨约翰内斯·古腾堡大学（JGU）核物理研究所A1合作组的研究人员与中国和日本的科学家合作，首次利用电子散射成功制备出氢-6，这是中子含量最高的同位素之一。该实验在美因茨微加速器（MAMI）的谱仪装置上进行，为研究轻的、富含中子的原子核提供了一种新方法。这些发现提供了新的见解，并对现有的多核子相互作用模型提出了重大挑战。

“这项测量的完成得益于MAMI电子束的卓越质量与A1合作项目的三台高分辨率光谱仪的独特组合，”日本古根海姆大学核物理研究所的Josef Pochodzalla教授强调道。来自中国上海复旦大学以及日本仙台东北大学和东京大学的研究人员参与了此次实验。

该实验工作由博士生邵天浩领导，并已发表在《物理评论快报》上。

极富中子系统的核结构极限

核物理学中最基本的问题之一是，一个原子核中可以结合多少个中子，以及质子数是多少。对于仅含有一个质子的基本同位素氢，除了我们熟知的氘核和氚核之外，人们还观测到了一些富含中子的同位素，从?H到?H。

A1实验大厅内三台高分辨率光谱仪的设置，用于探测?H。图片来源：Ryoko Kino、Josef Pochodzalla

极重氢同位素?H（由一个质子和五个中子组成）和?H（多一个中子）拥有迄今为止已知的最高中子质子比。它们是解答这一问题的独特系统。然而，关于这些奇异原子核的实验数据稀缺，结果仍然存在争议。尤其是关于?H基态能量究竟是高是低，一直存在争议。

A1合作组与中国和日本的科学家合作，开发了一种产生?H的新方法。该方法中，能量为855兆电子伏特（MeV）的电子束撞击?Li靶，通过两步过程产生?H：首先，锂原子核中的质子因与电子的相互作用而发生共振激发，并迅速衰变为中子和带正电的π介子。

如果该中子随后将能量转移给原子核内的另一个质子，它就能与残余原子核一起形成富含中子的氢同位素?H，而π介子和质子则会离开原子核，并能与散射电子一起被三台磁谱仪同时探测到。为了使这一罕见过程达到足够的产出率，电子束沿着45毫米长的一侧穿过一块45毫米长、0.75毫米厚的锂板。这非常罕见，因为电子散射实验通常使用沿束流轴方向非常薄的靶材，使电子束撞击与其传播方向垂直的宽阔表面。

这种特殊的装置得益于MAMI卓越的光束质量，尤其是高度聚焦和稳定的电子束。另一个挑战是处理锂本身，因为锂材料化学反应性极强、机械脆性大，而且对温度敏感。

在为期四周的测量活动中，正如预期的那样，每天大约观察到一次事件。这是MAMI罕见的实验之一，A1实验大厅中的三台高分辨率光谱仪同时以巧合模式运行，从而可以同时探测到三个粒子。这种复杂的装置实现了前所未有的精度，同时保持了极低的背景噪声。

新的测量结果提供了基态能量极低的?H的清晰信号，表明6H中中子之间的相互作用比近期理论计算的预期更强。这一结果挑战了我们对中子丰度极高系统中多核子相互作用的理解。

编译自/ScitechDaily

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