近日，中国科学院近代物理研究所科研人员及合作者首次通过实验证实，在原子核基态中存在分子型结构，提供了迄今为止原子核基态中“集团化”的最清晰证据。该研究于11月21日发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并作为亮点工作被美国物理学会的Physics杂志在线报道。
原子核是由质子和中子等核子组成的量子多体系统，其半径只有原子的万分之一，但其质量却占原子质量的99.9%以上。核子间的相互作用形成了多种有趣的原子核结构，从球形核到变形核，甚至是表面密度稀疏的中子晕核。在这些结构中，质子和中子聚集形成原子核内部的亚结构，被科学家称为“集团”或“团簇”。
渺小的原子核会处于许多不同的状态，其中能量最低的被称为“基态”，其他的被称为“激发态”。科学家们认为集团结构主要出现在激发态中，尤其是在α共轭核（其质子和中子数量均为偶数且相等）中存在。α粒子由两个质子和两个中子组成，不仅具有较高的结合能，而且极其“懒惰”，使得原子核内部形成α集团具有能量优势。
原子核基态中的集团结构并不常见。有关基态集团结构的讨论可以追溯到1938年，理论物理学家通过分析α共轭核的结合能，推测铍-8、碳-12、氧-16等原子核的基态中可能存在α分子型的集团结构。但这一理论假设一直未能被证实。
近期，中国科学院近代物理研究所的科研人员和合作者以新颖的实验方法，首次证实了在丰中子核铍-10基态中存在分子型结构。
该实验在日本理化学研究所放射性核束工厂（RIBF）上完成。研究团队通过逆运动学下的敲出反应，研究了铍-10的α集团结构。实验中，0.5倍光速的铍-10次级束流轰击2毫米厚的固态氢靶，束缚在铍-10核中的α集团被质子敲出，几乎不转移任何动量给反应余核， 使其保持了铍-10基态中的集团结构信息。
实验结果表明，敲出反应的实验截面与微观模型下的理论预测非常吻合，从而验证了长期以来对铍-10基态的分子态结构假设，即形成α-α哑铃状核心，两个价中子垂直绕核心轴旋转。类似的结构可以在原子尺度上找到，但在原子核基态中非常罕见。
丰中子核铍-10基态集团结构敲出反应示意图（图/李朋杰）
铍-10原子核基态的分子型结构（图/李朋杰）
这项研究首次为原子核基态的分子态结构理论描述提供了实验证据，并为进一步探索丰中子核基态中α集团结构的演化开辟了方向。
这项研究工作由中国科学院近代物理研究所联合香港大学、法国巴黎－萨克雷大学、日本理化学研究所、日本大阪大学、南京航空航天大学等国内外27家科研单位合作完成。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、博士后国际交流计划引进项目、国家自然科学基金等项目的支持。
（光明日报全媒体记者王冰雅 宋喜群）
来源：光明日报全媒体记者王冰雅 宋喜群
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