他们用“超级天平”给原子核称“体重”

本文转自：中国科学报

张玉虎 叶满山/摄

王猛 叶满山/摄

颜鑫亮 受访者供图

周旭 受访者供图

■本报见习记者 叶满山

给原子核称体重有多难？

首先，要拥有一个原子核。在实验里，在重离子加速器的帮助下，花费1个星期，几万亿个稳定原子核冲向反应靶，才能产生几十个目标原子核。

其次，原子核质量很轻。单个原子核的大小在1费米量级，质量大约为10-25千克。

再次，对于寿命很短的原子核，测量必须足够快。质量未知的原子核寿命通常在1秒以下，需在发生衰变之前完成所有的测量。

给原子核称体重有多重要？

精确测量短寿命原子核的质量，是探究物质微观结构和宇宙中化学元素起源的基础。

在中国科学院近代物理研究所（以下简称近代物理所），就有这样一群给原子核称体重的人。该所原子核质量测量团队基于国际首创的“超级天平”，成功测量了12个高精度短寿命原子核的质量，在发现原子核的结构和性质、探索元素起源等方面取得了令人瞩目的成绩。近日，相关研究成果分别发表于《自然-物理》和《物理评论快报》。

团队首席科学家

近代物理所原子核质量测量团队有20余人，这个团队的建设离不开首席科学家张玉虎的“招兵买马”。

张玉虎今年61岁，是团队里的“老大哥”，也是近代物理所最早的一批核物理研究生。近40年来，他一直与原子核打交道，近10年的工作则是围绕兰州重离子加速器进行原子核质量测量。

“我们将带电的离子放进加速器中，离子在高速运动中与其他原子核进行碰撞，产生寿命非常短的原子核。”张玉虎告诉《中国科学报》。

2007年，近代物理所新增兰州重离子加速器冷却储存环，专门用于短寿命原子核的质量测量实验。2010年，张玉虎受命组建原子核质量测量团队。

“地处大西北，最困难的就是招揽人才。”张玉虎介绍，为此，研究所下了很大功夫引进人才，同时高度重视人才的储备和培养。通过多年努力，团队成员逐步扩充。

团队的问题解决了，另一个难题是实验机会。

兰州重离子加速器是开放的大科学装置，每年申请前来做实验的科研人员较多，机时竞争激烈。每次实验需要100至200小时，所以有时团队一年只有一次宝贵的机会，成员们都倍加珍惜。

有了实验机会，还有一个难题是用什么样的称重工具。“原子核质量可以通过多种方法进行测量，包括直接测量和间接测量。储存环质谱术就属于直接测量方法。”张玉虎说，但是传统的储存环质谱术的质量分辨能力不够，实验结果有较大的误差。

张玉虎告诉记者：“这次两篇文章能顺利发表，最重要的是采用了国际首创的新型质谱术，用这个‘超级天平’得到了测量难度很高的短寿命原子核的质量。”

“超级天平”的成功运行，离不开团队每个成员的付出，尤其是团队现任负责人——近代物理所储存环核物理室主任、研究员王猛。

“超级天平”负责人

王猛的办公室里有一张核素图，远远看去，高低起伏，像喜马拉雅山脉。

“中间这条黑线就是核素图的稳定线，越靠近两边，核素产生就越困难。”王猛指了指墙上的核素图说，团队的重点工作就是测量这些寿命非常短的放射性核素。

团队所测量的原子核的寿命大概为100毫秒，可以说一眨眼的工夫，原子核就衰变了。这些原子核不仅寿命短，产额还非常低，所以做好“超级天平”至关重要。

目前，世界上有3台同类型的“天平”——重离子储存环，用于给短寿命原子核称体重，所用的都是传统的等时性质谱术。“储存环中只有少部分离子满足等时性条件。传统的方法只能测量离子的飞行时间，对于等时性窗口外的离子测量精度低，甚至还可能存在系统误差。”王猛说。

为此，团队独立发展了新一代的储存环质谱术。他们在储存环上新增了两个飞行时间探测器，原子核在这两个探测器上都产生信号，由此可以精确获得每个离子的磁刚度和轨道长度信息，进而实现高精度测量。

“原理说起来很简单，但要实现高精度测量，技术上存在很多困难。团队花了近10年时间，逐步解决了这些难题。新型质谱术的效果是在全接收度范围内，储存环对所有离子的分辨能力都得到了大幅提高，大大提高了实验效率，降低了质量测量实验中的系统误差。”王猛表示。

2017年，团队利用新型质谱术第一次得到了重要的物理实验结果。2018年，团队再接再厉完成了第二次实验。这才有了今年两篇高质量文章的发表。

善于解决问题的实验设计师

有了“超级天平”，敲定了实验方案，接下来就是解决具体实验过程中的问题。比如，如何排除系统误差，提高测量精度。

“排球的质量大约是280克，空客A380的质量大约是280吨，这两者的质量比是1：100万。如果把储存环中飞行的原子核比喻成空客A380，那么我们的测量精度就意味着要分辨出空客A380上是否多载或少载了一个排球。”近代物理所储存环核物理室副主任、副研究员颜鑫亮告诉《中国科学报》。

“百万分之一这种高精度的质量测量，对磁场的稳定性要求也是同等量级的。”颜鑫亮负责实验设计，在早期的实验中，由于装置的磁场不稳定，他发现测试仪上离子和离子之间的回旋周期谱交叉重合在一起，给后期的数据分析带来很大的困难和出错的风险。

“数据分析只能部分降低磁场不稳定性的影响。为了从根本上解决这个问题，我们联合不同部门尝试了各种方式方法，花了两三年时间，才发现问题的关键是用了10年的电源已经严重老化。”颜鑫亮说。

2017年，在更换新电源和改造电磁环境之后，团队顺利完成了新型质谱术实验。2021年，团队又发现了另外一个制约磁场长期稳定性的因素——冷却水的温度。

“这两个最大的制约因素都已被我们发现，在下一代储存环建设中，我们就会避免出现这类问题。”颜鑫亮表示，经过多年的历练，团队已经形成了反复细抠问题的工作作风。

如果把重离子加速器提供的束流比作炮弹，颜鑫亮的工作任务就是设置炮弹的能量和测量装置的参数，等待炮弹击中目标，产生的碎片就是需要测量的目标离子。

“这个过程就像捕鱼一样，提前布置好渔网，耐心等待鱼儿进网。”颜鑫亮说，测试仪器中的碳膜像渔网一样，每次离子穿过之后，都有一定概率产生信号。离子在储存环中飞行400圈左右，测量就结束了。

接下来，需要把这400圈飞行产生的波形信号记录下来，并进行数据分析。这一步轮到近代物理所储存环核物理室博士研究生周旭“出场”了。

不服输的数据分析程序师

周旭，一个酷爱打乒乓球的科研人员，是近代物理所乒乓球打得最好的人。因为热爱，每年他都会参加各种类型的乒乓球比赛，但2018年周旭放弃了所有的比赛。

2017年，周旭被张玉虎选入新型质谱术研发团队。实验方案敲定后，就进入实验程序开发阶段。但是原有程序“跑”起来较慢，于是周旭决定改变程序中一个模块。

“由于循环周期未知，搜寻每个离子时都要将1.8万个可能的周期逐一尝试一遍。我设计的模块能预先对这些周期进行筛选，这样可以加快搜寻速度，使程序的整体速度提高7.6倍。”周旭解释道。

从单飞行时间探测器到双飞行时间探测器，程序的编写也是慢慢积累的。原有程序已经不适应新的研究方向，按颜鑫亮的要求，周旭需要改写原有程序。

周旭说：“每次做PPT都需要将实验配图画出来，单PPT我就制作了1300张。”周旭坦言，因为自己基本功欠缺，画实验配图非常费劲。但是张玉虎要求很严格，基本上是一张图、一张图地指出错误。

忙得放弃了乒乓球比赛的周旭表示，正是这几百次的锤炼，以及团队里老师、师兄师姐的帮助，他才能进一步提高程序运算速度，少走了几年的弯路。

在34960次的实验数据注入后，内含离子数达到了812413个。面对海量的离子信息，其他人建议放弃研究数据图上比较陡的离子，直接研究平稳状态下的离子信息。

但是不服输的劲头让周旭决定对这些数据图上比较陡的转变能因子下手。“我的想法很简单，就是不想丢数据，因为每一个离子的产生都不容易。”

为了写好程序，周旭曾连续工作15天、每天只睡3个小时。终于，他将所有离子都验证成功，为这次新型质谱术的测量结果提供了有力支撑。

这次近代物理所原子核质量测量团队测量了12个高精度短寿命原子核，其中6个是未知的短寿命原子核，另外6个是重新测量的原子核，得到了更精确的数据。目前，科学家在实验室中产出的原子核有3340多个，质量未知的还有790多个。“这次在核物理领域取得重要成果，源于我们的持续努力和不懈探索，未来我们还将继续探究核物理的前沿科学问题，为推动我国核物理研究作出自己的贡献。”王猛说。