对称性是理解自然界结构与相互作用的核心概念。从分子构型到晶体结构，从基本粒子到原子核，许多复杂现象都可以通过对称性的破缺与恢复来加以理解。在几何上，正四面体是最简单且高度对称的三维结构之一。四面体对称性在分子、金属团簇和富勒烯等量子体系中并不陌生。对于由质子和中子组成的量子多体系统而言，原子核中是否存在正四面体对称性，一直是核结构领域的重要前沿问题。
早在二十多年前，理论研究就预言原子核也可能出现这种高对称形变，即一种类似正四面体但表面圆滑的“金字塔状”结构。与常见的球形或椭球形原子核不同，这种高阶几何对称性会显著改变核子的单粒子能级分布，并产生独特的量子结构效应。然而，原子核形状的实验判定通常依赖间接观测，已有的能级、转动带或电磁跃迁等候选信号可能混入其他集体运动和关联效应。因此，原子核中是否真正存在正四面体对称性，以及如何找到有辨识度的观测判据，一直是该领域的关键问题。
近日，北京大学物理学院、核物理与核技术全国重点实验室赵鹏巍与南开大学许方方合作，提出利用原子核质量探测四面体对称性的新方法。研究表明，由相邻原子核质量构造得到的三重结合能差这一物理量能够放大局域核结构变化，从而成为识别原子核四面体对称性的灵敏探针。
原子核质量是核物理中测量精度最高、信息最丰富的基本观测量之一。研究团队关注缺中子锆同位素，特别是质子数和中子数均为40的锆-80。基于现有高精度质量测量以及原子质量评价中的外推信息，锆同位素链上的三重结合能差在锆-80附近呈现异常尖锐的非单调结构。这一异常是否可能反映了一种更深层的结构机制，即原子核形成四面体对称形状后留下的质量印记?
为回答这一问题，研究团队采用不预设任何空间对称性的三维格点相对论密度泛函理论，对锆及其相邻锶同位素的基态结合能进行自洽计算。结果显示，在不引入额外可调参数的情况下，理论能够再现现有质量数据所反映的三重结合能差系统趋势;更关键的是，只有当计算允许四面体形变自由度时，锆-80附近的异常结构才会自然出现。一旦人为压制四面体形变，该结构便消失，计算结果也明显偏离质量系统学规律。
与以往主要依赖激发谱、转动带和电磁跃迁等谱学观测量的研究不同，该工作首次表明，高精度质量信息本身也能够为四面体对称性的识别提供重要证据，在原子核质量与高阶几何对称性之间建立了新的联系，为探索原子核中复杂形状与量子多体关联提供了新的研究视角。
该工作同时为实验研究提供了新的检验途径。未来，对更缺中子的锆同位素，特别是锆-76质量的精密测量，将有望对锆-80附近预测的质量异常结构进行关键检验。如果实验确认相应的三重结合能差特征，将为锆-80中存在四面体对称结构提供有力支持，并推动人们从新的角度理解原子核中的对称性、自发对称性破缺以及量子多体关联效应。
该研究以“Mass Probe of Tetrahedral Symmetry in Atomic Nuclei”为题，于2026年6月10日发表在Physical Review Letters，并被遴选为当期封面。论文第一作者为南开大学许方方(原北京大学物理学院技术物理系博士生)，通讯作者为赵鹏巍。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及北京大学高性能计算平台等支持。
