近日，中国科学院近代物理研究所科研人员依托兰州重离子加速器冷却储存环，首次精确测量了极缺中子原子核硅-22的质量，发现在硅-22中质子数14是一个新幻数。相关成果于7月2日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
原子核由质子和中子构成。当原子核的质子数或中子数为2、8、20、28、50、82、126时，原子核会表现出相对稳定的性质，因此这些数字被称为“幻数”。20世纪40-50年代，物理学家梅耶(M. G. Mayer)和简森(J. H. D. Jensen)等提出了原子核的壳模型，成功解释了幻数的形成机制，因此获得了1963年诺贝尔物理学奖。
近年来，随着核物理研究向远离稳定线的奇特原子核推进，人们在某些奇特核中发现了新幻数(例如中子数为14、16、32、34)的出现。然而这些新幻数几乎都是中子幻数，新的质子幻数在实验上鲜有报道。
此前，科学家发现在氧-22中(中子数为14，质子数为8)，中子数14具有“幻数”特征。根据核结构的镜像对称性，理论预言在氧-22的镜像核硅-22(中子数为8，质子数为14)中，质子数14也应该是一个幻数。硅-22是目前已知的最缺中子的硅同位素，由于其产生截面小、寿命短，在实验中产生和测量均面临较大挑战，该理论预言一直未被实验证实。
近代物理所原子核质量测量研究团队基于兰州重离子加速器冷却储存环，利用改进后的磁刚度识别等时性质谱术，克服参考核极少的不利条件，成功测量了硅-22原子核的基态质量，并将该团队此前首次测量的硅-23质量的精度提高了近7倍。研究结果表明，硅-22具有大于零的双质子分离能，是一个质子滴线核，不存在双质子直接放射性，结束了长期以来的相关争议。
基于新的质量数据，研究团队提取出硅-22的质子对能，并与镜像核氧-22的中子对能等进行系统性对比，揭示出新质子幻数14的出现。该结果得到了当前先进核理论模型伽莫夫(Gamow)壳模型计算的支持。进一步研究发现，虽然硅-22具有和氧-22相似的双幻特性，但其结构与氧-22存在轻微的对称性破缺。
该研究深化了人们对奇特原子核结构的认识，对理解原子核中核子之间相互作用、探索极端条件下原子核的存在边界具有重要意义。
近代物理所邢元明副研究员和博士研究生罗胤芳是论文的共同第一作者，近代物理所张玉虎研究员、李健国副研究员和意大利国家核物理研究院(INFN)G. de Angelis教授为通讯作者。
该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金委、甘肃省自然科学基金委等项目的支持。
图：硅-22及其镜像核氧-22结构示意图。通过硅-22的质量测量，结合理论计算，科研人员揭示了硅-22具有与氧-22相似的双幻结构，但同时存在轻微的对称破缺，具有更外延的质子空间分布。(图源/近代物理所)
