Posted by 本文为Kahlbow, J., Aumann, T., Sorlin, O., Kondo, Y., Nakamura, T., Nowacki, F., … & (SAMURAI21-NeuLAND Collaboration). (2024). Magicity versus Superfluidity around 28O viewed from the Study of 30F. Physical Review Letters, 133(8), 082501.的论文阅读笔记。
概要
学过初中化学的朋友都知道，作为最轻的卤素，氟（fluorine）的原子序数仅为9。通常而言，自然界可以找到的氟基本是19F，即包含9个质子和10个中子的氟。然而，随着原子核物理学的发展，近年来科学家已经成功创造了越来越多中子大幅过剩的原子核。这意味着，人类可以突破自然的平衡，将越来越多的中子“塞入”氟的原子核里。
2024年8月23日，由日本理化学研究所（RIKEN）和欧洲反质子与离子研究装置（FAIR）组成的SAMURAI21-NeuLAND研究组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）刊登了一篇名为Magicity versus Superfluidity around 28O viewed from the Study of 30F（通过对氟-30的研究观察氧-28的魔数性与超流动性）的论文。该研究组在理化学研究所的放射性同位素束工厂（RIBF），通过使31Ne与质子靶发生碰撞，成功产生并观测到了30F原子核。更令人惊奇的是，研究人员发现，对于中子数大幅过剩的氧和氟同位素，传统的幻数之一——20竟然失效了。经过分析，研究团队认为这些同位素的原子核中可能发生了超流动现象。由于这项研究有望揭示未知的中子间相互作用，科学家们期待其能够推动对中子星结构的进一步解明。
背景
富中子核
我们知道，物质由原子组成，而原子的中心则是原子核。其中，原子核由质子和中子构成，其半径约为10万亿分之一厘米。虽然原子核在尺寸上极其微小，但却占据了物质质量的99.9%以上。存在于我们身边的物质的原子核中，质子和中子的数量基本相等。而自然界中无法稳定存在的不稳定同位素，其质子和中子的数量则会出现较大的偏差。特别是在超新星爆炸或中子星合并等爆炸性天体现象中，可能会瞬间生成中子数远大于质子数的短寿命原子核。这种原子核也被称为富中子核（neutron-rich nucleus）。
富中子核可以通过最近快速发展的重离子加速器和不稳定核束生成技术由人工合成。实际上，利用不稳定核束，越来越多富中子核的新结构和反应模式正被逐步探明。由于这些研究可能有助于揭示宇宙元素合成的机制以及高密度天体（如中子星）的谜团，因此，利用不稳定核束进行富中子核的研究已成为当前原子核物理学的主要研究方向。
幻数
原子核是遵循量子力学法则的微小粒子，其代表性的量子效应之一是当中子或质子的数量为2、8、20、50、82、126等特定数字时，原子核会更加稳定（图1）。这些特定的数字也被称为幻数（magic number）。然而，在富中子核中，这些在稳定核中确立的魔法数可能会消失，亦或是会出现新的魔法数。比如，幻数20在富中子核中的氖（质子数10）和镁（质子数12）的同位素中已被发现会消失，而在质子数更少的氟（质子数9）的同位素中，是否会出现幻数的消失仍是一个谜题。最近的研究表明，28F和29F中也出现了幻数消失的迹象。
图1 测量得到的各同位素的结合能与通过半经验质量公式预测的结合能之间的差异
横轴为中子数，纵轴为质子数。可以看出，轮廓中的明显尖锐峰值仅出现在魔数位置。这说明，包含魔数个中子或质子的原子核相较于其他同位素更加稳定。
（引自Wikimedia Commons，原作者User:Mia yun Ruse）
超流体
1937年，彼得·卡皮察等物理学家发现4He在低于2.17 K（−270.98°C）时会变成完全缺乏黏性的状态。这种物质状态后来被称为超流体（superfluidity）。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。而在原子核物理学中，超流体也是一种类似的物质状态，通常出现在富中子核或者在极端条件下的原子核中。在这种状态下，原子核内部的中子对或其它核粒子对可以在没有阻力的情况下任意流动。
虽然已知液氦中出现的超流体状态也可能在孤立的原子核中出现，但在中子数超过质子数两倍的富中子核中是否会出现超流动状态仍未被学界查明。2023年，SAMURAI21-NeuLAND研究组首次观测到氟的同位素28F，并预测其幻数的消失会使得中子对在各种轨道间来回移动，即出现超流体状态。处于这种原因，质子数和中子数都接近28F的30F是否会出现类似于超流体的结构也得到了不少关注。
研究成果
SAMURAI21-NeuLAND研究组首次成功生成并观测到了迄今为止发现的第二重的氟同位素——30F。实验在理化学研究所的放射性同位素束工厂（RIBF）进行。研究组通过将高能31Ne撞击质子靶，将31Ne中的质子击出，从而生成了30F。30F极不稳定，它在被生成后会迅速释放一个中子衰变为29Ne，其寿命仅约为10-22秒。通过在多粒子测量装置（SAMURAI）中观测其衰变过程，研究组确认了30F的生成。此外，该研究还首次确定了30F的质量（换算可得30.05u），这是之前未曾明了的发现。
根据此次研究得到的30F的质量，可以完全确认在中子数接近20的氟同位素中，幻数之一的20将不再成立。具体而言，如图2所示，图中展示了氟（9F）、氧（8O）、磷（15P）同位素原子核的中子分离能（Neutron Separation Energy）1S_n随中子数N变化的关系图。可以看出，在幻数N=20附近，磷原子核的中子分离能有较大的起伏，但氟和氧原子核的中子分离能却没有幻数情况下应有的较大起伏。这是SAMURAI21-NeuLAND研究组继2023年发现28F中幻数20消失后的又一重大成果。这意味着，中子幻数20的消失现象已经从质子数为8氧的同位素扩展到了质子数为9的氟的同位素。
其中，红色、紫色、蓝色分别代表氟（9F）、氧（8O）、磷（15P）同位素。
研究组在论文中提到，在中子数比30F还多的31F中，幻数的消失可能导致角动量较小的状态混入，从而可能形成被称为中子晕（neutron halo，图3）2的特异状态。幻数20的消失将导致2个中子可以形成自旋为零的对（类似于超导现象中的库珀对），并在各种轨道间往返流动，从而可能导致超流体状态出现。
2个中子形成的中子晕围绕在在高密度核周围。
（引自Wikimedia Commons，原作者User:Starmakerthing）
此外，由于中子数超过16的氧和氟的富中子核的质量对三中子间力（three-neutron force）3的效应非常敏感。因此，对这些富中子核展开更加精密的研究，有望为解明这些未知的核力提供帮助。三中子间力被认为是理解质量较大的中子星之谜的关键，因此本研究在天体物理学等领域中也具有意义。
未来展望
一个原子核中究竟可以添加多少中子？这个问题不仅是原子核物理学中的关键问题，还与宇宙中的元素合成机制、中子星的结构等天文学话题密切相关。通过本研究等成果，人们终于逐渐了解在诸如氧和氟的轻元素中可以添加多少中子。今后的研究有望进一步推动更重的富中子核的发现。
迄今为止，日本理化学研究所一直在引领着富中子核的研究。未来，除了理化学研究所外，预计美国的稀有同位素束流装置（FRIB，已于2022年投入运行）、中国的强流重离子加速器装置（HIAF，计划于2026年运行）、德国的反质子与离子研究装置（FAIR，计划于2027年运行）等设施也将加入到对未知原子核的研究行列中，可大幅促进原子核物理、核天体物理等相关领域的发展。
注释
- 中子分离能（Neutron Separation Energy）：指从原子核中移除一个中子所需的能量，反映了中子与原子核结合的强弱。 ↩︎
- 中子晕（neutron halo）：指在高密度核周围，以极低密度形成云状分布的中子扩展现象。当中子数远远超过质子数，并且中子的结合能非常小的时候会出现中子晕。构成中子晕的中子通常只有1到2个，这些中子被认为是通过隧道效应从原子核的平均场（核心部分）中渗漏出来的。因此，角动量较小的状态对于中子晕的形成是必要的，以避免阻碍隧道效应。 ↩︎
- 三中子间力（three-neutron force）：指在富中子核中，三个中子之间的相互作用力。这种力是中子之间的高阶相互作用，超出了常规的两中子间力（即双中子间力）。 ↩︎