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科學家創造出極其稀有的氫-6同位素挑戰核物理學

文章來源：新能源網更新時間：2025-05-19 16:48:55

美因茨約翰內斯·古騰堡大學（JGU）核物理研究所A1合作組的研究人員與中國和日本的科學家合作，首次利用電子散射成功制備出氫-6，這是中子含量最高的同位素之一。該實驗在美因茨微加速器（MAMI）的譜儀裝置上進行，為研究輕的、富含中子的原子核提供了一種新方法。這些發現提供了新的見解，并對現有的多核子相互作用模型提出了重大挑戰。

“這項測量的完成得益于MAMI電子束的卓越質量與A1合作項目的三臺高分辨率光譜儀的獨特組合，”日本古根海姆大學核物理研究所的Josef Pochodzalla教授強調道。來自中國上海復旦大學以及日本仙臺東北大學和東京大學的研究人員參與了此次實驗。

該實驗工作由博士生邵天浩領導，并已發表在《物理評論快報》上。

極富中子系統的核結構極限

核物理學中最基本的問題之一是，一個原子核中可以結合多少個中子，以及質子數是多少。對于僅含有一個質子的基本同位素氫，除了我們熟知的氘核和氚核之外，人們還觀測到了一些富含中子的同位素，從?H到?H。

A1實驗大廳內三臺高分辨率光譜儀的設置，用于探測?H。圖片來源：Ryoko Kino、Josef Pochodzalla

極重氫同位素?H（由一個質子和五個中子組成）和?H（多一個中子）擁有迄今為止已知的最高中子質子比。它們是解答這一問題的獨特系統。然而，關于這些奇異原子核的實驗數據稀缺，結果仍然存在爭議。尤其是關于?H基態能量究竟是高是低，一直存在爭議。

A1合作組與中國和日本的科學家合作，開發了一種產生?H的新方法。該方法中，能量為855兆電子伏特（MeV）的電子束撞擊?Li靶，通過兩步過程產生?H：首先，鋰原子核中的質子因與電子的相互作用而發生共振激發，并迅速衰變為中子和帶正電的π介子。

如果該中子隨后將能量轉移給原子核內的另一個質子，它就能與殘余原子核一起形成富含中子的氫同位素?H，而π介子和質子則會離開原子核，并能與散射電子一起被三臺磁譜儀同時探測到。為了使這一罕見過程達到足夠的產出率，電子束沿著45毫米長的一側穿過一塊45毫米長、0.75毫米厚的鋰板。這非常罕見，因為電子散射實驗通常使用沿束流軸方向非常薄的靶材，使電子束撞擊與其傳播方向垂直的寬闊表面。

這種特殊的裝置得益于MAMI卓越的光束質量，尤其是高度聚焦和穩定的電子束。另一個挑戰是處理鋰本身，因為鋰材料化學反應性極強、機械脆性大，而且對溫度敏感。

在為期四周的測量活動中，正如預期的那樣，每天大約觀察到一次事件。這是MAMI罕見的實驗之一，A1實驗大廳中的三臺高分辨率光譜儀同時以巧合模式運行，從而可以同時探測到三個粒子。這種復雜的裝置實現了前所未有的精度，同時保持了極低的背景噪聲。

新的測量結果提供了基態能量極低的?H的清晰信號，表明6H中中子之間的相互作用比近期理論計算的預期更強。這一結果挑戰了我們對中子豐度極高系統中多核子相互作用的理解。

編譯自/ScitechDaily

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