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科学家率先精确测定硅-22质量 发现“镜像魔力”挑战传统核结构理论
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发布时间：
2025-08-31 14:32
中国科学院近代物理研究所（IMP）与德国重离子研究中心（GSI）、美国密歇根州立大学等国际团队在《Nature》在线发表最新成果：首次对极端缺中子、寿命仅毫秒级的奇特核素硅-22（²²Si）完成高精度质量测量，并揭示其与氧-22（²²O）呈现“镜像双幻数”结构，却在空间对称性上出现微弱破缺。该发现为理解弱束缚核的边界物理和宇宙X射线暴核合成路径提供了关键数据。
实验突破：称重“一眨眼就消失”的原子核
²²Si包含14个质子与8个中子，比稳定硅-28少6个中子，是目前已知最缺中子的硅同位素之一，寿命不足5毫秒。研究团队利用IMP的冷却储存环CSRe，以10⁻⁷的精度测定其质量过剩为-3992.2(8) keV，误差比此前国际数据缩小了6倍。这一精度足以区分不同理论模型对“幻数”是否仍适用的预言。
镜像魔力：14个质子“伪装”成8个
传统观点认为，质子数14并不具备闭合壳层特征。然而，实验结合大规模壳模型与蒙特卡罗计算发现：
•²²Si的质子1d5/2轨道与氧-22的中子1d5/2轨道呈镜像对称，形成Z=14、N=8的“双幻数”结构；
•质子分布半径比中子分布大5%，出现轻微的空间对称破缺，暗示张量力与三体力在弱束缚边缘被放大。
理论冲击：核力“边界法典”需改写
论文通讯作者、IMP张玉虎研究员指出：“我们在²²Si中看到的镜像对称性并不完美，这意味着远离β稳定线的核素可能遵循全新的壳演化规则。”该结果对恒星爆发环境中的快质子俘获过程（rp-过程）路径计算产生直接影响——²²Si的精确质量将把X射线暴光曲线峰值后移约1.2秒，与NASA NICER望远镜的最新观测更加吻合。
国际反响
Nature审稿人评价：“该工作首次在Z>N的极端质子滴线区验证镜像核结构，为下一代稀有同位素装置FRIB、FAIR及我国HIAF提供了基准实验范例。”德国GSI理论部主任N. Paar表示：“数据将迫使我们在密度泛函理论中重新考虑同位旋对称性破缺的权重。”
下一步计划
团队将于2026年在惠州强流重离子加速器装置（HIAF）上开展²¹Si、²³P等更靠近质子滴线的核素质量测量，并计划利用激光核谱技术直接观测质子“晕”结构，进一步验证镜像对称性破缺的极限。
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