他們用“超級天平”給原子核稱“體重”

張玉虎 葉滿山/攝

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王猛 葉滿山/攝

顏鑫亮 受訪者供圖

周旭 受訪者供圖

■本報見習記者 葉滿山

給原子核稱體重有多難？

首先，要擁有一個原子核。在實驗里，在重離子加速器的幫助下，花費1個星期，幾萬億個穩定原子核沖向反應靶，才能產生幾十個目標原子核。

其次，原子核質量很輕。單個原子核的大小在1費米量級，質量大約為10-25千克。

再次，對于壽命很短的原子核，測量必須足夠快。質量未知的原子核壽命通常在1秒以下，需在發生衰變之前完成所有的測量。

給原子核稱體重有多重要？

精確測量短壽命原子核的質量，是探究物質微觀結構和宇宙中化學元素起源的基礎。

在中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所），就有這樣一群給原子核稱體重的人。該所原子核質量測量團隊基于國際首創的“超級天平”，成功測量了12個高精度短壽命原子核的質量，在發現原子核的結構和性質、探索元素起源等方面取得了令人矚目的成績。近日，相關研究成果分別發表于《自然-物理》和《物理評論快報》。

團隊首席科學家

近代物理所原子核質量測量團隊有20余人，這個團隊的建設離不開首席科學家張玉虎的“招兵買馬”。

張玉虎今年61歲，是團隊里的“老大哥”，也是近代物理所最早的一批核物理研究生。近40年來，他一直與原子核打交道，近10年的工作則是圍繞蘭州重離子加速器進行原子核質量測量。

“我們將帶電的離子放進加速器中，離子在高速運動中與其他原子核進行碰撞，產生壽命非常短的原子核。”張玉虎告訴《中國科學報》。

2007年，近代物理所新增蘭州重離子加速器冷卻儲存環，專門用于短壽命原子核的質量測量實驗。2010年，張玉虎受命組建原子核質量測量團隊。

“地處大西北，最困難的就是招攬人才。”張玉虎介紹，為此，研究所下了很大功夫引進人才，同時高度重視人才的儲備和培養。通過多年努力，團隊成員逐步擴充。

團隊的問題解決了，另一個難題是實驗機會。

蘭州重離子加速器是開放的大科學裝置，每年申請前來做實驗的科研人員較多，機時競爭激烈。每次實驗需要100至200小時，所以有時團隊一年只有一次寶貴的機會，成員們都倍加珍惜。

有了實驗機會，還有一個難題是用什么樣的稱重工具。“原子核質量可以通過多種方法進行測量，包括直接測量和間接測量。儲存環質譜術就屬于直接測量方法。”張玉虎說，但是傳統的儲存環質譜術的質量分辨能力不夠，實驗結果有較大的誤差。

張玉虎告訴記者：“這次兩篇文章能順利發表，最重要的是采用了國際首創的新型質譜術，用這個‘超級天平’得到了測量難度很高的短壽命原子核的質量。”

“超級天平”的成功運行，離不開團隊每個成員的付出，尤其是團隊現任負責人——近代物理所儲存環核物理室主任、研究員王猛。

“超級天平”負責人

王猛的辦公室里有一張核素圖，遠遠看去，高低起伏，像喜馬拉雅山脈。

“中間這條黑線就是核素圖的穩定線，越靠近兩邊，核素產生就越困難。”王猛指了指墻上的核素圖說，團隊的重點工作就是測量這些壽命非常短的放射性核素。

團隊所測量的原子核的壽命大概為100毫秒，可以說一眨眼的工夫，原子核就衰變了。這些原子核不僅壽命短，產額還非常低，所以做好“超級天平”至關重要。

目前，世界上有3臺同類型的“天平”——重離子儲存環，用于給短壽命原子核稱體重，所用的都是傳統的等時性質譜術。“儲存環中只有少部分離子滿足等時性條件。傳統的方法只能測量離子的飛行時間，對于等時性窗口外的離子測量精度低，甚至還可能存在系統誤差。”王猛說。

為此，團隊獨立發展了新一代的儲存環質譜術。他們在儲存環上新增了兩個飛行時間探測器，原子核在這兩個探測器上都產生信號，由此可以精確獲得每個離子的磁剛度和軌道長度信息，進而實現高精度測量。

“原理說起來很簡單，但要實現高精度測量，技術上存在很多困難。團隊花了近10年時間，逐步解決了這些難題。新型質譜術的效果是在全接收度范圍內，儲存環對所有離子的分辨能力都得到了大幅提高，大大提高了實驗效率，降低了質量測量實驗中的系統誤差。”王猛表示。

2017年，團隊利用新型質譜術第一次得到了重要的物理實驗結果。2018年，團隊再接再厲完成了第二次實驗。這才有了今年兩篇高質量文章的發表。

善于解決問題的實驗設計師

有了“超級天平”，敲定了實驗方案，接下來就是解決具體實驗過程中的問題。比如，如何排除系統誤差，提高測量精度。

“排球的質量大約是280克，空客A380的質量大約是280噸，這兩者的質量比是1：100萬。如果把儲存環中飛行的原子核比喻成空客A380，那么我們的測量精度就意味著要分辨出空客A380上是否多載或少載了一個排球。”近代物理所儲存環核物理室副主任、副研究員顏鑫亮告訴《中國科學報》。

“百萬分之一這種高精度的質量測量，對磁場的穩定性要求也是同等量級的。”顏鑫亮負責實驗設計，在早期的實驗中，由于裝置的磁場不穩定，他發現測試儀上離子和離子之間的回旋周期譜交叉重合在一起，給后期的數據分析帶來很大的困難和出錯的風險。

“數據分析只能部分降低磁場不穩定性的影響。為了從根本上解決這個問題，我們聯合不同部門嘗試了各種方式方法，花了兩三年時間，才發現問題的關鍵是用了10年的電源已經嚴重老化。”顏鑫亮說。

2017年，在更換新電源和改造電磁環境之后，團隊順利完成了新型質譜術實驗。2021年，團隊又發現了另外一個制約磁場長期穩定性的因素——冷卻水的溫度。

“這兩個最大的制約因素都已被我們發現，在下一代儲存環建設中，我們就會避免出現這類問題。”顏鑫亮表示，經過多年的歷練，團隊已經形成了反復細摳問題的工作作風。

如果把重離子加速器提供的束流比作炮彈，顏鑫亮的工作任務就是設置炮彈的能量和測量裝置的參數，等待炮彈擊中目標，產生的碎片就是需要測量的目標離子。

“這個過程就像捕魚一樣，提前布置好漁網，耐心等待魚兒進網。”顏鑫亮說，測試儀器中的碳膜像漁網一樣，每次離子穿過之后，都有一定概率產生信號。離子在儲存環中飛行400圈左右，測量就結束了。

接下來，需要把這400圈飛行產生的波形信號記錄下來，并進行數據分析。這一步輪到近代物理所儲存環核物理室博士研究生周旭“出場”了。

不服輸的數據分析程序師

周旭，一個酷愛打乒乓球的科研人員，是近代物理所乒乓球打得最好的人。因為熱愛，每年他都會參加各種類型的乒乓球比賽，但2018年周旭放棄了所有的比賽。

2017年，周旭被張玉虎選入新型質譜術研發團隊。實驗方案敲定后，就進入實驗程序開發階段。但是原有程序“跑”起來較慢，于是周旭決定改變程序中一個模塊。

“由于循環周期未知，搜尋每個離子時都要將1.8萬個可能的周期逐一嘗試一遍。我設計的模塊能預先對這些周期進行篩選，這樣可以加快搜尋速度，使程序的整體速度提高7.6倍。”周旭解釋道。

從單飛行時間探測器到雙飛行時間探測器，程序的編寫也是慢慢積累的。原有程序已經不適應新的研究方向，按顏鑫亮的要求，周旭需要改寫原有程序。

周旭說：“每次做PPT都需要將實驗配圖畫出來，單PPT我就制作了1300張。”周旭坦言，因為自己基本功欠缺，畫實驗配圖非常費勁。但是張玉虎要求很嚴格，基本上是一張圖、一張圖地指出錯誤。

忙得放棄了乒乓球比賽的周旭表示，正是這幾百次的錘煉，以及團隊里老師、師兄師姐的幫助，他才能進一步提高程序運算速度，少走了幾年的彎路。

在34960次的實驗數據注入后，內含離子數達到了812413個。面對海量的離子信息，其他人建議放棄研究數據圖上比較陡的離子，直接研究平穩狀態下的離子信息。

但是不服輸的勁頭讓周旭決定對這些數據圖上比較陡的轉變能因子下手。“我的想法很簡單，就是不想丟數據，因為每一個離子的產生都不容易。”

為了寫好程序，周旭曾連續工作15天、每天只睡3個小時。終于，他將所有離子都驗證成功，為這次新型質譜術的測量結果提供了有力支撐。

這次近代物理所原子核質量測量團隊測量了12個高精度短壽命原子核，其中6個是未知的短壽命原子核，另外6個是重新測量的原子核，得到了更精確的數據。目前，科學家在實驗室中產出的原子核有3340多個，質量未知的還有790多個。“這次在核物理領域取得重要成果，源于我們的持續努力和不懈探索，未來我們還將繼續探究核物理的前沿科學問題，為推動我國核物理研究作出自己的貢獻。”王猛說。