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一组研究人员 ， 包括来自国家超导回旋加速器实验室 (NSCL) 和密歇根州立大学 (MSU) 稀有同位素束设施 (FRIB) 的科学家 ， 已经解决了锆 80 质量缺失的问题 。
坦率地说 ， 他们破案了 。 实验人员表明 ， 利用 NSCL 无与伦比的创造稀有同位素并对其进行分析的能力 ， 锆 80（一种在其核心或原子核中有 40 个质子和 40 个中子的锆原子）比预期的要轻 。 然后 FRIB 的理论家能够使用先进的核模型和独具一格的统计方法来解释这个质量缺失的部分 。
“核理论家和实验家之间的互动就像一场协调的‘舞蹈’ ， ” FRIB 的研究生研究助理、该团队于 11 月 25 日在《自然物理学》杂志上发表的研究的第一作者亚历克·哈梅克 (Alec Hamaker) 说 ，“每个人轮流领导和跟随另一个人 。 ”
“有时理论会提前做出预测 ， 而有时实验会发现出乎意料的东西 ， ”FRIB 实验室高级科学家瑞恩·林格尔 (Ryan Ringle) 说 ， 他参与了锆 80 质量测量林格尔还是 FRIB 和 MSU 自然科学学院物理与天文学系的兼职物理学副教授 。
“它们相互推动 ， 从而更好地了解原子核 ， 它基本上构成了我们与之互动的一切 ， ”他说 。
所以这个故事非常有趣 。 在某种程度上 ， 它是 FRIB 功能的预览 ， 这是一个由美国能源部科学办公室核物理办公室支持的核科学用户设施 。
明年用户操作开始时 ， 来自全球的核科学家将有机会使用 FRIB 的技术来制造在其他地方无法研究的稀有同位素 。 他们还将有机会与 FRIB 的专家合作 ， 以了解这些研究的结果及其影响 。 这些知识具有广泛的应用 ， 从帮助科学家更了解宇宙到改进癌症治疗 。
“随着我们进入 FRIB 时代 ， 我们可以像这里所做的那样进行测量 ， ” 林格尔说 ，“我们可以更进一步 。 这里有足够的能力让我们学习几十年 。 ”
也就是说 ， 锆 80 本身就是一个非常有趣的原子核 。
对于初学者来说 ， 这是一个难以制造的核 ， 但制造稀有核是 NSCL 的专长 。 该设施生产了足够的锆 80 ， 使 林格尔、哈梅克和他们的同事能够以前所未有的精度确定其质量 。 为此 ， 他们在 NSCL 的低能量束和离子阱 (LEBIT) 设施中使用了所谓的 Penning 阱质谱仪 。
“人们以前测量过这个质量 ， 但从来没有这么精确 ， ”哈梅克说 ，“这揭示了一些有趣的物理学 。 ”
“当我们在如此精确的水平上进行质量测量时 ， 我们实际上是在测量丢失的质量 ， ” 林格尔说 ，“原子核的质量不仅仅是质子和中子的质量总和 。 缺少的质量表现为将原子核保持在一起的能量 。 ”
这是科学最著名的方程之一有助于解释事物的地方 。 在阿尔伯特爱因斯坦的 E = mc^2 中 ， E 代表能量 ， m 代表质量（c 是光速的符号） 。 这意味着质量和能量是等效的 ， 尽管这仅在极端条件下才会变得明显 ， 例如在原子核中发现的条件 。
当原子核具有更多的结合能时——这意味着它可以更紧密地控制质子和中子——它会丢失更多的质量 。 这有助于解释锆 80 的情况 ， 它的细胞核被紧密结合 ， 这项新的测量表明结合比预期的还要强 。
这意味着 FRIB 的理论家必须找到一个解释 ， 他们可以求助于几十年前的预测来帮助提供答案 。 例如 ， 理论家怀疑锆 80 原子核可能具有双重“魔力” 。
每隔一段时间 ， 一个特定的原子核就会因拥有特殊数量的质子或中子而违背其质量预期 。 物理学家将这些称为幻数 。 理论假设锆 80 具有特殊数量的质子和中子 ， 使其具有双重“魔力” 。
早期的实验表明 ， 锆 80 的形状更像橄榄球或美式足球 ， 而不是球体 。 理论家预测这种形状可能会产生这种双重“魔力” 。 通过迄今为止对锆 80 质量最精确的测量 ， 科学家们可以用可靠的数据支持这些想法 。
“理论家们在 30 多年前就预测锆 80 是一种变形的双魔核 ， ”哈梅克说 ，“实验者花了一些时间来了解‘舞蹈’并为理论家提供证据 。 现在证据已经存在 ， 理论家可以制定出接下来的‘舞蹈’步骤 。 ”
所以‘舞蹈’继续进行 ， 为了扩展这个比喻 ， NSCL、FRIB 和 MSU 为它提供了最好的“舞厅”之一 。 它拥有独一无二的设施、专家团队和全国一流的核物理研究生课程 。
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