一個原子核能有多少中子？

　　日本物理學家已制造出有史以來最重的鈣原子核——含有20個質子以及40個中子。其中的中子是最常見鈣的兩倍多，比此前的記錄多了兩三個。這一發現表明，在原子核中可包含的中子或許比以前認為的更多，這或將對中子星理論產生影響。

　　“這的確是一個重要而有趣的發現。”美國俄亥俄大學理論核物理學家Daniel Phillips說。物理學家的核結構模型趨向于更普通的原子核，即其質子和中子的數量大致相等。隨著他們推斷這些原子核擁有更加不平衡的質子和中子比例，科學家想要知道這些理論可能存在多大的錯誤。

　　原子核由核的強作用力所維系的質子和中子組成。質子的數量決定了一個原子的化學元素特性；而中子的數量則決定了該元素的同位素。教科書中經常把原子核描繪成像膠體一樣黏在一起的許多質子和中子，但真正的原子核要復雜得多。雖然它是由離散的粒子組成的，但通常原子核更像是帶有表面張力的液滴。同時，原子核擁有抽象的量子能殼層，當它們有足夠數量的質子或中子填滿殼層時，其黏附力會更大，正如在更大規模上，當原子填滿電子殼時，其惰性會更強。此外，質子和中子可以兩個一對或三個一組，且轉瞬即逝，從而改變原子核的特征和穩定性。

　　理論物理學家使用不同模型來解釋這些相互競爭的行為。對于相對較輕的原子核，初始化模型可處理單個質子和中子的相互作用。但該類模型對分析較重的原子核來說則存在困難，所以理論物理學家采用了基于“密度泛函數”的更多近似模型，將質子和中子的分布作為連續變量。但數十個該類模型可能在基本問題上存在分歧，比如有多少中子會附著在原子核上，物理學家通常會在網格狀圖上將這一極限可視化。圖中會顯示垂直軸上的質子數和水平軸上的中子數，已知和預測的原子核會形成一個“十”字形的條帶，其下邊界標志著“中子滴線”：一個原子核可容納的最大中子數。一直以來，物理學家尚不知道這一滴線的確切位置在哪里。

　　現在，來自日本和光市理化研究所（RIKEN）和美國密歇根州立大學的一個30人團隊已經制作出一批新的“富含中微子”的原子核，他們在近日發表于《物理評論快報》的報告中稱，研究表明該滴線超過了許多理論預測。密歇根州立大學實驗者Alexandra Gade說，該團隊之所以用鈣原子進行探測，是因為該原子大量的質子賦予它更強大的結合。

　　研究人員利用RIKEN的放射性同位素光束設施，通過將一束重鋅原子核發射到鈹靶標，將其分解。然后，他們使用一種非常精確的磁力分離器，對殘骸中的大量原子核進行分類。研究小組共制造出8個新的富含中子的原子核，包括鈣-59和鈣-60，它們分別含有39和40個中子。為了產生兩個鈣-60，研究人員向靶標發射了數以千萬億次計的鋅原子核。

　　新結果似乎打亂了初始化模型，該模型通常預測不應該存在鈣-60。Gade說，事實上，這些數據表明用更多的中子制造鈣原子核是可能的。在研究人員對35個模型進行比較后，最適合所有新數據的兩個模型都預測，鈣同位素存在鈣-70，它將擁有多達50個中子。

　　Gade警示稱，應謹慎對滴線做出任何籠統的概括。然而，Phillips說，他希望實驗結果能更好地限制滴液線，這樣實驗者就不必簡單地進行感覺。除了其重要性之外，滴線的位置可能對中子星天體物理學產生影響。例如，Gade說，恒星殘骸外殼中的一些過程據認為可以產生滴線之外富含中子的原子核，所以這些密度極高的恒星的精確性質和結構可能取決于滴線的詳細情況。

　　實驗人員希望能找到更重的鈣同位素，并制造出足夠的原子核來研究其性質。到2022年，當密歇根州立大學完成其耗資7.3億美元的新型加速器稀有同位素光束設備（FRIB）時，此類研究將變得更加容易。“當我們查看了FRIB的計算結果之后，應該能夠看到鈣-68和鈣-70。”Gade說，“如果它們存在的話。”