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科学家成功创造超稀有氢-6同位素：挑战核物理现有理论
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发布时间：
2025-05-30 11:34
突破性成果：首次通过电子散射技术制备氢 - 6
在德国美因茨微tron（Mainz Microtron, MAMI）粒子加速器的光谱仪设施中，来自美因茨大学核物理研究所A1合作组的研究人员，联合中、日科学家，首次通过电子散射实验成功制备并测量了氢-6（⁶H）—— 一种中子极丰富的氢同位素。这项发表在《物理评论快报》的研究揭示，氢-6的基态能量低得惊人，颠覆了科学界对原子核内中子相互作用的现有认知。
美因茨大学核物理研究所的约瑟夫・波乔扎拉（Josef Pochodzalla）教授强调：“这项测量的成功，得益于MAMI电子束的卓越品质，以及A1合作组三台高分辨率光谱仪的独特组合。” 参与实验的机构包括中国复旦大学、日本东北大学和东京大学，实验由博士生邵天浩主导。
核物理核心问题：极端富中子系统的结构极限
氢作为最基础的元素，其原子核仅含1个质子。除了常见的氘（²H）和氚（³H），科学家已观测到从⁴H 到⁷H 等多种富中子同位素。其中，⁶H（1个质子 + 5个中子）和⁷H（1个质子 + 6个中子）的中子质子比达到已知最高值，成为研究 “给定质子数的原子核最多能束缚多少中子” 这一根本问题的独特模型。但这类 “奇异原子核” 的实验数据极为稀缺，结论也存在争议——尤其是⁶H 的基态能量究竟是高是低，长期以来争论不休。
创新方法：两步反应制备氢-6的技术突破
A1合作组联合中、日科学家开发了一种全新制备⁶H 的方法：
第一步：用855兆电子伏特（MeV）的电子束轰击⁷Li（锂-7）靶。电子与锂核内的质子发生共振激发，使质子迅速衰变为中子和带正电的π介子。
第二步：若该中子将能量转移给核内另一个质子，就会与剩余的原子核形成⁶H，同时π介子和质子离开原子核。研究团队通过三台磁光谱仪，同步探测散射电子、π介子和质子，从而确认⁶H的产生。
为提高这种稀有反应的产率，实验采用了特殊设计：使用一块45毫米长、0.75毫米厚的锂板，让电子束沿45毫米长边穿过——这与传统电子散射实验中 “薄靶垂直入射” 的方式截然不同，依赖于MAMI电子束极高的聚焦度和稳定性。此外，锂材料化学性质活泼、机械强度脆弱且对温度敏感，也为实验带来了额外挑战。
实验发现：低基态能量揭示强中子相互作用
在为期四周的测量中，研究团队平均每天仅观测到1次有效事件。他们首次同时运行A1实验大厅的三台高分辨率光谱仪，以 “符合模式” 同步探测三种粒子，实现了前所未有的精度，同时将背景噪声降至极低。
实验结果显示，⁶H的基态能量远低于预期，这意味着其内部中子间的相互作用比近期理论计算更强。这一发现直接挑战了 “极端富中子系统中多核子相互作用” 的现有模型，为理解原子核的极限结构提供了新线索。
国际合作与研究意义
该研究由德国研究基金会（DFG）、中国国家重点研发计划、欧盟 “地平线2020”计划、国家自然科学基金委和日本学术振兴会（JSPS）联合资助。氢-6的成功制备不仅拓展了人类对同位素世界的认知，更可能推动天体物理中 “中子星物质状态” 等前沿领域的研究——毕竟，极端富中子的原子核结构，正是理解宇宙中高密度物质的关键一环。
正如论文所述，这项实验为探索 “原子核能容纳多少中子” 的极限打开了新窗口，也让科学家不得不重新审视核力理论，为未来核物理研究指明了全新方向。
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