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科學家率先精確測定硅-22質量 發現“鏡像魔力”挑戰傳統核結構理論
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發布時間：
2025-08-31 14:32
中國科學院近代物理研究所（IMP）與德國重離子研究中心（GSI）、美國密歇根州立大學等國際團隊在《Nature》在線發表最新成果：首次對極端缺中子、壽命僅毫秒級的奇特核素硅-22（22Si）完成高精度質量測量，并揭示其與氧-22（22O）呈現“鏡像雙幻數”結構，卻在空間對稱性上出現微弱破缺。該發現為理解弱束縛核的邊界物理和宇宙X射線暴核合成路徑提供了關鍵數據。
實驗突破：稱重“一眨眼就消失”的原子核
22Si包含14個質子與8個中子，比穩定硅-28少6個中子，是目前已知最缺中子的硅同位素之一，壽命不足5毫秒。研究團隊利用IMP的冷卻儲存環CSRe，以10??的精度測定其質量過剩為-3992.2(8) keV，誤差比此前國際數據縮小了6倍。這一精度足以區分不同理論模型對“幻數”是否仍適用的預言。
鏡像魔力：14個質子“偽裝”成8個
傳統觀點認為，質子數14并不具備閉合殼層特征。然而，實驗結合大規模殼模型與蒙特卡羅計算發現：
?22Si的質子1d5/2軌道與氧-22的中子1d5/2軌道呈鏡像對稱，形成Z=14、N=8的“雙幻數”結構；
?質子分布半徑比中子分布大5%，出現輕微的空間對稱破缺，暗示張量力與三體力在弱束縛邊緣被放大。
理論沖擊：核力“邊界法典”需改寫
論文通訊作者、IMP張玉虎研究員指出：“我們在22Si中看到的鏡像對稱性并不完美，這意味著遠離β穩定線的核素可能遵循全新的殼演化規則。”該結果對恒星爆發環境中的快質子俘獲過程（rp-過程）路徑計算產生直接影響——22Si的精確質量將把X射線暴光曲線峰值后移約1.2秒，與NASA NICER望遠鏡的最新觀測更加吻合。
國際反響
Nature審稿人評價：“該工作首次在Z>N的極端質子滴線區驗證鏡像核結構，為下一代稀有同位素裝置FRIB、FAIR及我國HIAF提供了基準實驗范例。”德國GSI理論部主任N. Paar表示：“數據將迫使我們在密度泛函理論中重新考慮同位旋對稱性破缺的權重。”
下一步計劃
團隊將于2026年在惠州強流重離子加速器裝置（HIAF）上開展21Si、23P等更靠近質子滴線的核素質量測量，并計劃利用激光核譜技術直接觀測質子“暈”結構，進一步驗證鏡像對稱性破缺的極限。
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