给运动中的原子核“称体重”有多难?打个比方,一节行驶中的高铁车厢中有一位乘客口袋里可能装着一个U盘,科学家们的工作就是要在高铁跑动过程中分辨他口袋是否装有U盘,这项工作的难度可想而知。
在中国科学院近代物理研究所,有一个研究小组——CSR精细核谱学研究组——就在进行这项工作,他们在王猛研究员的带领下,凭借自己的专注和勤奋,将这项工作做到了世界前沿。
原子核质量测量是一项在微观世界中探索物质性质的工作,由于许多原子核的存在时间极其短暂,只能用毫秒(1毫秒=10-3秒,即千分之一秒)来计算,因此,如何又快又准测得原子核质量,是核物理基础研究的一个重大挑战。
重离子加速器CSR装置,始建于国家战略的“九五”时期,属国家“九五”重大科学工程项目。当时,国际上物理研究的竞争已经在重离子物理研究领域展开,德国、法国、日本等国家已经相继建成了大科学装置,在这种背景下,扩建多用途重离子冷却储存环成为重离子加速器实验室的新任务。
2007年底,第一次等时性质量测量实验在CSR上成功进行,主束36Ar(氩36)的碎裂产物注入并存储到实验环中,利用飞行时间探测器测出它们在储存环中的回旋周期,根据回旋周期清楚地鉴别出了32S、30P等A/Z=2系列的多个核素,并提取出它们的质量,得到的结果完全与文献值吻合。
2009年,研究组首次对63Ge、65As、67Se的质量进行测量,由于前期准备工作充分,实验完成后,在很短时间内就完成了数据分析工作,并得到实验结果。相关成果发表后,受到国际核天体领域的极大关注。
最终,质量测量组首次测得原子核65As的质量,并证明65As是质子非束缚核。在此基础上,质量测量组和美国密歇根州立大学的国际权威天体核物理专家合作,解决了核天体物理学中悬而未决的一个重要科学问题。
这项研究成果发表在《Physical Review Letters》上,这是该刊发表的第一篇等时性质量测量文章,标志着近代物理研究所在原子核质量精确测量领域确立了自己的国际前沿地位。
原子核测量是依托兰州重离子加速器这一大科学装置的团队合作研究,它不是一两个人能完成的。王猛给我们转发了两篇团队的文章。一篇是2009年发表在《International Journal of Modern Physics E》上的文章,当时有19位署名作者;另一篇是2018年发表在《Physics Letters B》上的文章,已经有51位署名作者。
CSR精细核谱学质量测量组立足于兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)装置,开展远离稳定线的短寿命低产额的核素质量测量的实验研究。近年来,本研究组在核天体物理领域,以及远离稳定线原子核的结构(壳演化、形变等)领域取得了重要的成果。