中國(guó)在頂級(jí)刊物PRL發(fā)表的實(shí)驗(yàn)核物理文章，這個(gè)團(tuán)隊(duì)獨(dú)占三成

作者：中國(guó)科學(xué)院蘭州分院 中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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給運(yùn)動(dòng)中的原子核“稱體重”有多難？打個(gè)比方，一節(jié)行駛中的高鐵車(chē)廂中有一位乘客口袋里可能裝著一個(gè)U盤(pán)，科學(xué)家們的工作就是要在高鐵跑動(dòng)過(guò)程中分辨他口袋是否裝有U盤(pán) ，這項(xiàng)工作的難度可想而知。

在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，有一個(gè)研究小組——CSR精細(xì)核譜學(xué)研究組——就在進(jìn)行這項(xiàng)工作，他們?cè)谕趺脱芯繂T的帶領(lǐng)下，憑借自己的專(zhuān)注和勤奮，將這項(xiàng)工作做到了世界前沿。

CSR精細(xì)核譜學(xué)研究團(tuán)隊(duì)部分成員，（圖片來(lái)源：近代物理所提供）

從零開(kāi)始

原子核質(zhì)量測(cè)量是一項(xiàng)在微觀世界中探索物質(zhì)性質(zhì)的工作，由于許多原子核的存在時(shí)間極其短暫，只能用毫秒（1毫秒=10-3秒，即千分之一秒）來(lái)計(jì)算，因此，如何又快又準(zhǔn)測(cè)得原子核質(zhì)量，是核物理基礎(chǔ)研究的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

“任何物體要測(cè)重，都需要工具輔助，要有一桿合適的‘秤’，對(duì)于原子核質(zhì)量測(cè)量而言也不例外”，談起CSR精細(xì)核譜學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的工作，負(fù)責(zé)人王猛總是能侃侃而談。王猛說(shuō)的這桿“秤”，就是蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)（HIRFL-CSR）,在蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)人工核反應(yīng)方式產(chǎn)生快重離子束，利用冷卻儲(chǔ)存環(huán)來(lái)“看清”這些基本粒子?！拔覀冎饕恐仉x子加速器的冷卻儲(chǔ)存環(huán)（HIRFL-CSR），利用它，能捕捉那些快速流失的核素，并且精準(zhǔn)測(cè)量它們的質(zhì)量”，王猛說(shuō)。

重離子加速器CSR裝置，始建于國(guó)家戰(zhàn)略的“九五”時(shí)期，屬國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，國(guó)際上物理研究的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)在重離子物理研究領(lǐng)域展開(kāi)，德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)相繼建成了大科學(xué)裝置，在這種背景下，擴(kuò)建多用途重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)成為重離子加速器實(shí)驗(yàn)室的新任務(wù)。

在CSR的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，原子核質(zhì)量測(cè)量一直是其重要的物理研究目標(biāo)，王猛說(shuō)，“那時(shí)候還沒(méi)有現(xiàn)在的CSR精細(xì)核譜學(xué)研究組，當(dāng)時(shí)，CSR剛剛建立，近代物理所就抽調(diào)各方力量從事相關(guān)研究，我們就從那時(shí)開(kāi)始原子核質(zhì)量測(cè)量的研究工作”。當(dāng)時(shí)，夏佳文和詹文龍負(fù)責(zé)CSR的設(shè)計(jì)和建設(shè)，徐珊瑚領(lǐng)導(dǎo)的青年物理室承擔(dān)了基于CSR的核物理實(shí)驗(yàn)研究任務(wù)。

作為“青年物理室”的一員，王猛在CSR裝置工程建設(shè)期間（2006-2007年）就開(kāi)始從事原子核質(zhì)量測(cè)量工作，首次質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)于2007年底完成?；貞浧甬?dāng)時(shí)的“青年物理室”，王猛說(shuō)，“盡管大牌云集，但依然缺兵少將；盡管滿腔熱情，但著實(shí)困難不少”。

（圖片來(lái)源：近代物理所提供）

王猛講了一件趣事。剛開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)時(shí)，人員很少，大家輪番作戰(zhàn)，基本上全天候都在中控實(shí)驗(yàn)室，累了就在沙發(fā)上睡一會(huì)兒，“幾個(gè)小伙子經(jīng)常搞得蓬頭垢面，根本看不出來(lái)是科學(xué)家”。當(dāng)時(shí)有位女博士來(lái)研究小組實(shí)習(xí)，剛來(lái)的她很想“好好表現(xiàn)”，想著要“早出晚歸”?？墒牵贿B三四天，她就發(fā)現(xiàn)這里的人個(gè)個(gè)“拼命三郎”，大家?guī)缀醵疾怀鰧?shí)驗(yàn)室的門(mén)?！芭┦孔罱K無(wú)法堅(jiān)持，只好離開(kāi)了研究組”，王猛遺憾地說(shuō)，“那時(shí)條件確實(shí)很艱苦，組里很難留下人”。

然而，憑著“拼命三郎”的干勁，王猛團(tuán)隊(duì)干出了一片新天地。

原子核質(zhì)量的測(cè)量方法有肖特基測(cè)量和等時(shí)性測(cè)量?jī)煞N。前者通過(guò)電子冷卻降低離子速度分散，使用肖特基探針測(cè)得離子回旋周期，從而確定質(zhì)量；后者使用飛行時(shí)間探測(cè)器提取離子的回旋周期確定質(zhì)量。“在CSR建成初期，實(shí)驗(yàn)環(huán)的電子冷卻裝置尚不完善，加之冷卻束流也需要一定時(shí)間，肖特基測(cè)量法主要適用于測(cè)量壽命在秒量級(jí)以上的原子核質(zhì)量，對(duì)壽命以微秒計(jì)算的原子核無(wú)能為力。所以，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)最終選取了等時(shí)性作為首次測(cè)量的方法”。正是這一大膽嘗試，使CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量測(cè)量組找到了自己的研究特色，在短壽命原子核質(zhì)量測(cè)量領(lǐng)域走到了世界前沿。

蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)（圖片來(lái)源：近代物理所提供）

2007年底，第一次等時(shí)性質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)在CSR上成功進(jìn)行，主束36Ar（氬36）的碎裂產(chǎn)物注入并存儲(chǔ)到實(shí)驗(yàn)環(huán)中，利用飛行時(shí)間探測(cè)器測(cè)出它們?cè)趦?chǔ)存環(huán)中的回旋周期，根據(jù)回旋周期清楚地鑒別出了32S、30P等A/Z=2系列的多個(gè)核素，并提取出它們的質(zhì)量，得到的結(jié)果完全與文獻(xiàn)值吻合。原子核質(zhì)量測(cè)量的精度達(dá)到了10-6，這個(gè)精度完全達(dá)到本文開(kāi)頭舉例的精確測(cè)量乘客口袋里優(yōu)盤(pán)的目標(biāo)。

緊跟前沿

“07年底我們測(cè)試實(shí)驗(yàn)完成，08年8月份正式驗(yàn)收的時(shí)候，我們就已經(jīng)確定了下一次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)核素?！蓖趺突貞浾f(shuō)，第一次實(shí)驗(yàn)成功極大鼓舞了大家的士氣，也為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)確定了方向和目標(biāo)。

2008年，在中科院近代物理研究所的戰(zhàn)略會(huì)議上，研究組提出新一輪實(shí)驗(yàn)建議，78Kr（氪78）被選為初級(jí)束流，主要研究豐質(zhì)子區(qū)域63Ge、65As、67Se等原子核質(zhì)量。同時(shí)，根據(jù)第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)發(fā)出一套快速數(shù)據(jù)處理方法，能同步對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)分析。

2009年，研究組首次對(duì)63Ge、65As、67Se的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，由于前期準(zhǔn)備工作充分，實(shí)驗(yàn)完成后，在很短時(shí)間內(nèi)就完成了數(shù)據(jù)分析工作，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相關(guān)成果發(fā)表后，受到國(guó)際核天體領(lǐng)域的極大關(guān)注。經(jīng)與國(guó)際專(zhuān)家討論，發(fā)現(xiàn)65As是研究X射線暴中核過(guò)程的關(guān)鍵核素，但這次實(shí)驗(yàn)所得的6個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還不足以解決核天體核物理方面的重要問(wèn)題。

研究組決定進(jìn)行第二輪實(shí)驗(yàn)。這一次，團(tuán)隊(duì)加入了德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)相關(guān)研究領(lǐng)域的專(zhuān)家。然而，第二次實(shí)驗(yàn)過(guò)程并不如想象中的順利。由于想得到足夠多統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，科學(xué)家們延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)周期，但這樣做卻暴露了儲(chǔ)存環(huán)不穩(wěn)定的問(wèn)題。儲(chǔ)存環(huán)在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生飄移，原子核在儲(chǔ)存環(huán)中的回旋周期也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，因而會(huì)影響質(zhì)量測(cè)量的精度。

（圖片來(lái)源：近代物理所提供）

“必須想辦法克服這個(gè)問(wèn)題！”多少個(gè)不眠夜里的討論和頭腦風(fēng)暴，在一次又一次的計(jì)算和思考中，博士生涂小林發(fā)現(xiàn)，利用原子核間的相對(duì)回旋周期代替絕對(duì)數(shù)值，可以很大程度上減小因?yàn)榇艌?chǎng)變化帶來(lái)的影響。在后來(lái)的數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，這一創(chuàng)造型處理方法得到的數(shù)據(jù)精度竟然比利用德國(guó)GSI研究所（德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心）數(shù)據(jù)處理方法的精度高出了三倍。

最終，質(zhì)量測(cè)量組首次測(cè)得原子核65As的質(zhì)量，并證明65As是質(zhì)子非束縛核。在此基礎(chǔ)上，質(zhì)量測(cè)量組和美國(guó)密歇根州立大學(xué)的國(guó)際權(quán)威天體核物理專(zhuān)家合作，解決了核天體物理學(xué)中懸而未決的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，即對(duì)于第一類(lèi)X射線暴，64Ge是否為快質(zhì)子俘獲過(guò)程的“等待點(diǎn)”核的問(wèn)題。（不是理解原因，是理解核過(guò)程路徑和燃燒灰燼）近代物理研究所的實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了這一科學(xué)難題，消除了X射線暴的一個(gè)主要不確定性。

英國(guó)前皇家物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)Phil Walker在評(píng)論這一研究成果時(shí)指出，地處黃河上游的水壩就像核天體物理快質(zhì)子俘獲過(guò)程中的“等待點(diǎn)”一樣，水壩調(diào)節(jié)著河流匯入大海的進(jìn)程。冥冥之中，這似乎意味著近代物理研究所是破解“等待點(diǎn)”難題的最佳研究場(chǎng)所。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Physical Review Letters》上，這是該刊發(fā)表的第一篇等時(shí)性質(zhì)量測(cè)量文章，標(biāo)志著近代物理研究所在原子核質(zhì)量精確測(cè)量領(lǐng)域確立了自己的國(guó)際前沿地位。更難能可貴的是，中國(guó)人在這一世界頂級(jí)刊物上發(fā)表實(shí)驗(yàn)核物理文章到目前一共只有10篇，“其中的3篇出自我們團(tuán)隊(duì)”，王猛自豪地說(shuō)。

走向世界

原子核測(cè)量是依托蘭州重離子加速器這一大科學(xué)裝置的團(tuán)隊(duì)合作研究，它不是一兩個(gè)人能完成的。王猛給我們轉(zhuǎn)發(fā)了兩篇團(tuán)隊(duì)的文章。一篇是2009年發(fā)表在《International Journal of Modern Physics E》上的文章，當(dāng)時(shí)有19位署名作者；另一篇是2018年發(fā)表在《Physics Letters B》上的文章，已經(jīng)有51位署名作者。從19人到51人，反映了CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量測(cè)量團(tuán)隊(duì)十年間的發(fā)展變遷。

“因?yàn)槲覀冏龅臇|西越來(lái)越復(fù)雜，加入的人就越來(lái)越多，合作團(tuán)隊(duì)也變得越來(lái)越大”，王猛舉例介紹說(shuō)，“實(shí)驗(yàn)用到的探測(cè)器，其研制安裝非常復(fù)雜，因此需要很多人來(lái)配合。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，探測(cè)器通常由兩個(gè)以上的同志負(fù)責(zé)，具體數(shù)據(jù)獲取和處理同時(shí)需要兩三個(gè)學(xué)生配合?！本瓦@樣，團(tuán)隊(duì)越做越大了。

王猛說(shuō)，“除臨時(shí)性的大型國(guó)際合作以外，我們質(zhì)量測(cè)量組已經(jīng)成為了一個(gè)國(guó)際化的研究小組?！蓖趺椭钢k公室的工位說(shuō)，組里平時(shí)還有兩位外籍研究員，“一個(gè)是馬來(lái)西亞的藍(lán)乙華，另一位是日本的研究員鈴木伸司，還有四位小組成員被派往國(guó)外進(jìn)行訪問(wèn)學(xué)習(xí)去了，他們?cè)L問(wèn)結(jié)束后還會(huì)回到組里繼續(xù)支持我們的工作?！?/p>

CSR精細(xì)核譜學(xué)研究組不僅有來(lái)自國(guó)外的研究人員，還有很多來(lái)自國(guó)內(nèi)一流高校的年輕人才。王猛口中的“假小子”王茜就是其中一例，她從武漢大學(xué)畢業(yè)后成為近代物理所的直博生，到蘭州已經(jīng)有三個(gè)年頭了。在問(wèn)及對(duì)蘭州和團(tuán)隊(duì)的感受時(shí)，王茜笑呵呵地說(shuō)：“慢慢習(xí)慣了蘭州的生活方式，團(tuán)隊(duì)當(dāng)然是很融洽啦?！?/p>

王猛坦言，不同學(xué)習(xí)背景的人員加入會(huì)形成一個(gè)新的環(huán)境，不同的想法會(huì)產(chǎn)生碰撞：“比如說(shuō)藍(lán)乙華是學(xué)理論出身，他給我們團(tuán)隊(duì)在理論方面、計(jì)算方面做了很多工作?！?/p>

隨著團(tuán)隊(duì)的擴(kuò)充，王猛團(tuán)隊(duì)做的，遠(yuǎn)不僅是“測(cè)”那么簡(jiǎn)單。

王猛研究員(圖片來(lái)源：近代物理所提供）

王猛打開(kāi)了手機(jī)上的一個(gè)APP，展示他們團(tuán)隊(duì)最近做的一個(gè)小程序Nucleus amdc。打開(kāi)這個(gè)小程序，手機(jī)屏幕上顯示一個(gè)“梭形”圖案，放大后就看到每一個(gè)方格代表一種核素，點(diǎn)進(jìn)每個(gè)方格后就能看到一串密密麻麻的數(shù)值，分別代表每個(gè)核素的半衰期、原子核質(zhì)量、自旋等基本信息。這是王猛團(tuán)隊(duì)基于自己的精確測(cè)量結(jié)果，由團(tuán)隊(duì)編碼、設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，能夠幫助科研工作者隨時(shí)查詢已測(cè)核素的基本數(shù)據(jù)。

這個(gè)“梭形”圖案有個(gè)邊緣地帶，即豐質(zhì)子核區(qū)，CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量研究組的主要測(cè)量目標(biāo)就集中在這一區(qū)域。對(duì)著這個(gè)“梭形”圖案，王猛自豪地說(shuō)，“全世界由我們團(tuán)隊(duì)首次測(cè)量的核素已經(jīng)達(dá)到了25個(gè)，提高原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)精度的核素則有很大一批?！?/p>

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還承擔(dān)了一項(xiàng)重要的工作——原子核質(zhì)量評(píng)估。該工作是國(guó)際權(quán)威的原子核質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源，為全世界科技工作者服務(wù)。2013年起，國(guó)際原子質(zhì)量評(píng)估工作由中科院近物所承擔(dān)。一時(shí)間，“國(guó)際原子質(zhì)量評(píng)估中心移交中國(guó)”“原子核質(zhì)量中國(guó)說(shuō)了算”的話題見(jiàn)諸各大媒體——CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量研究組的這項(xiàng)工作成了社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

2017年，歷時(shí)近5年之久，由王猛牽頭的《原子質(zhì)量評(píng)估2016》在《中國(guó)物理C》（《Chinese Physics C》）上正式出版，這份報(bào)告共收錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)13035條，從中挑選出可靠且精度較高的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5675條作為有效的輸入數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)評(píng)估，推薦了基態(tài)原子質(zhì)量3435個(gè)，包括2497個(gè)原子核的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和938個(gè)外推質(zhì)量。王猛指著電腦前的兩本《中國(guó)物理C》說(shuō)，由于他們的工作在國(guó)際上影響很大，為提高中國(guó)學(xué)術(shù)期刊的國(guó)際影響力做出了重要貢獻(xiàn)，《中國(guó)物理C》近年來(lái)的影響因子逐年上升，已達(dá)到SCI二區(qū)的水平。

2018年底，英國(guó)物理學(xué)會(huì)（Institute Of Physics，IOP）頒布“2018英國(guó)物理學(xué)會(huì)高被引中國(guó)作者獎(jiǎng)”，王猛成功入選。該獎(jiǎng)對(duì)2015-2017年在IOP期刊發(fā)表的所有論文進(jìn)行評(píng)選，對(duì)被引次數(shù)在所屬領(lǐng)域排名為前百分之一的論文通訊作者進(jìn)行表彰，來(lái)自物理、材料、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域的151位作者獲獎(jiǎng)。

團(tuán)隊(duì)鏈接

CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量測(cè)量組立足于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)裝置，開(kāi)展遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的短壽命低產(chǎn)額的核素質(zhì)量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，本研究組在核天體物理領(lǐng)域，以及遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核的結(jié)構(gòu)(殼演化、形變等)領(lǐng)域取得了重要的成果。

CSR精細(xì)核譜學(xué)質(zhì)量測(cè)量組現(xiàn)有職工16人，其中具有高級(jí)和副高級(jí)職稱的人員有8人；杰出青年1人；學(xué)生共有10人，其中博士生4人，碩士生6人；承擔(dān)973項(xiàng)目子課題3項(xiàng)，自然科學(xué)基金十幾項(xiàng)。

CSR精細(xì)核譜學(xué)測(cè)量組自成立以來(lái)，積極開(kāi)展國(guó)際交流與合作，先后與美國(guó)，法國(guó)，德國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)的高校及科研機(jī)構(gòu)建立交流合作關(guān)系；近年來(lái)，先后組織多次國(guó)際會(huì)議，派遣多名研究生和博士生出國(guó)交流，學(xué)習(xí)和攻讀博士學(xué)位。

撰文：汪寧寧 金雨荔 劉曉程

審核：宋華龍 尹經(jīng)敏 王晶 趙曉艷