核质量测量揭示了新的质子魔数

在核物理学中，“魔数”指的是质子或中子的特定数量，这些数量能够形成特别稳定的原子核。认识这些数字有助于科学家更好地理解原子核的结构。

稳定、长寿命同位素的“魔数”早已为人所知，但奇异、短寿命同位素的“魔数”却鲜为人知。通过研究这些罕见的情况，研究人员可以更深入地了解极端条件下核的“构建代码”。这反过来又能加深我们对宇宙中元素形成方式的理解，并揭示核力的行为。

作为此项工作的一部分，中国科学院近代物理研究所的研究人员首次精确测量了极短寿命、中子缺乏的原子核硅-22的质量，揭示了硅-22中质子数14是一个新的魔数。

他们的研究结果于 7 月 2 日发表在《物理评论快报》上。

原子核由质子和中子组成。当质子或中子的数量达到某个“魔数”（例如2、8、20、28、50、82或126）时，原子核就会变得更加稳定。玛丽亚·格佩特·迈耶和J·汉斯·D·延森在20世纪40至50年代通过核壳层模型解释了这一现象，并因此获得了1963年的诺贝尔物理学奖。

近年来，对远离稳定谷（核素图上发现稳定同位素的区域）的奇异核的研究已经发现了新的中子幻数，例如 14、16、32 和 34。然而，新的质子幻数在实验观测中仍然很少见。

此前，科学家发现在氧-22（14个中子和8个质子）中，中子数14表现出魔数特性。基于核镜像对称性，理论家预测在其镜像核硅-22（8个中子和14个质子）中，质子数14也应该是一个魔数。然而，由于硅-22的产量低且半衰期短，其生成和测量极具挑战性，导致这一理论预测至今仍未得到验证。

利用改进的Bρ定义等时质谱技术，中科院重离子物理研究所的研究人员在兰州重离子研究装置冷却储存环上成功测量了硅-22的基态质量，并将之前测量的硅-23的质量精度提高了近七倍。

他们的研究结果表明，硅-22具有正的双质子分离能——换句话说，它不会自发失去两个质子。这证实了它作为不具有双质子放射性的质子滴线核的地位，从而解决了核物理学中一个长期存在的争论。

利用新的质量值，研究小组计算了硅-22的质子配对能量，并将其与其镜像核氧-22的中子配对能量进行比较，揭示了新的质子幻数14。这一发现得到了伽莫夫壳层模型的支持。

虽然硅-22表现出与氧-22类似的双魔性质，但研究发现，它的质子空间分布与氧-22的中子分布相比更加分散，表现出轻微的对称性破缺。

这项研究加深了我们对外来核结构的理解，并为核子相互作用和极其外来核的存在提供了新的见解。