中國在世界頂級刊物PRL發表的實驗核物理文章


在中國科學院近代物理研究所,有一個研究小組——CSR精細核譜學研究組——就在進行這項工作,他們在王猛研究員的帶領下,憑藉自己的專注和勤奮,將這項工作做到了世界前沿。

CSR精細核譜學研究團隊部分成員,(圖片來源:近代物理所提供)

從零開始

原子核質量測量是一項在微觀世界中探索物質性質的工作,由於許多原子核的存在時間極其短暫,只能用毫秒(1毫秒=10-3秒,即千分之一秒)來計算,因此,如何又快又準測得原子核質量,是核物理基礎研究的一個重大挑戰。

“任何物體要測重,都需要工具輔助,要有一桿合適的'秤',對於原子核質量測量而言也不例外”,談起CSR精細核譜學研究團隊的工作,負責人王猛總是能侃侃而談。王猛說的這杆“秤”,就是蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR),在蘭州重離子加速器國家實驗室,通過人工核反應方式產生快重離子束,利用冷卻儲存環來“看清”這些基本粒子。 “我們主要靠重離子加速器的冷卻儲存環(HIRFL-CSR),利用它,能捕捉那些快速流失的核素,並且精準測量它們的質量”,王猛說。

重離子加速器CSR裝置,始建於國家戰略的“九五”時期,屬國家“九五”重大科學工程項目。當時,國際上物理研究的競爭已經在重離子物理研究領域展開,德國、法國、日本等國家已經相繼建成了大科學裝置,在這種背景下,擴建多用途重離子冷卻儲存環成為重離子加速器實驗室的新任務。

在CSR的設計和建設過程中,原子核質量測量一直是其重要的物理研究目標,王猛說,“那時候還沒有現在的CSR精細核譜學研究組,當時,CSR剛剛建立,近代物理所就抽調各方力量從事相關研究,我們就從那時開始原子核質量測量的研究工作”。當時,夏佳文和詹文龍負責CSR的設計和建設,徐珊瑚領導的青年物理室承擔了基於CSR的核物理實驗研究任務。

作為“青年物理室”的一員,王猛在CSR裝置工程建設期間(2006-2007年)就開始從事原子核質量測量工作,首次質量測量實驗於2007年底完成。回憶起當時的“青年物理室”,王猛說,“儘管大牌雲集,但依然缺兵少將;儘管滿腔熱情,但著實困難不少”。

(圖片來源:近代物理所提供)

王猛講了一件趣事。剛開始做實驗時,人員很少,大家輪番作戰,基本上全天候都在中控實驗室,累了就在沙發上睡一會兒,“幾個小伙子經常搞得蓬頭垢面,根本看不出來是科學家”。當時有位女博士來研究小組實習,剛來的她很想“好好表現”,想著要“早出晚歸”。可是,一連三四天,她就發現這裡的人個個“拼命三郎”,大家幾乎都不出實驗室的門。 “女博士最終無法堅持,只好離開了研究組”,王猛遺憾地說,“那時條件確實很艱苦,組裡很難留下人”。

然而,憑著“拼命三郎”的干勁,王猛團隊幹出了一片新天地。

原子核質量的測量方法有肖特基測量和等時性測量兩種。前者通過電子冷卻降低離子速度分散,使用肖特基探針測得離子迴旋週期,從而確定質量;後者使用飛行時間探測器提取離子的迴旋週期確定質量。 “在CSR建成初期,實驗環的電子冷卻裝置尚不完善,加之冷卻束流也需要一定時間,肖特基測量法主要適用於測量壽命在秒量級以上的原子核質量,對壽命以微秒計算的原子核無能為力。所以,實驗團隊最終選取了等時性作為首次測量的方法”。正是這一大膽嘗試,使CSR精細核譜學質量測量組找到了自己的研究特色,在短壽命原子核質量測量領域走到了世界前沿。

蘭州重離子加速器冷卻儲存環(圖片來源:近代物理所提供)

2007年底,第一次等時性質量測量實驗在CSR上成功進行,主束36Ar(氬36)的碎裂產物注入並存儲到實驗環中,利用飛行時間探測器測出它們在儲存環中的迴旋週期,根據迴旋週期清楚地鑑別出了32S、30P等A/Z=2系列的多個核素,並提取出它們的質量,得到的結果完全與文獻值吻合。原子核質量測量的精度達到了10-6,這個精度完全達到本文開頭舉例的精確測量乘客口袋裡優盤的目標。

緊跟前沿

“07年底我們測試實驗完成,08年8月份正式驗收的時候,我們就已經確定了下一次實驗的目標核素。”王猛回憶說,第一次實驗成功極大鼓舞了大家的士氣,也為接下來的實驗確定了方向和目標。

2008年,在中科院近代物理研究所的戰略會議上,研究組提出新一輪實驗建議,78Kr(氪78)被選為初級束流,主要研究豐質子區域63Ge、65As、67Se等原子核質量。同時,根據第一次實驗的結果,團隊成員開發出一套快速數據處理方法,能同步對海量數據進行即時分析。

2009年,研究組首次對63Ge、65As、67Se的質量進行測量,由於前期準備工作充分,實驗完成後,在很短時間內就完成了數據分析工作,並得到實驗結果。相關成果發表後,受到國際核天體領域的極大關注。經與國際專家討論,發現65As是研究X射線暴中核過程的關鍵核素,但這次實驗所得的6個統計數據還不足以解決核天體核物理方面的重要問題。

研究組決定進行第二輪實驗。這一次,團隊加入了德國、法國、日本等國相關研究領域的專家。然而,第二次實驗過程並不如想像中的順利。由於想得到足夠多統計數據進行統計分析,科學家們延長了實驗週期,但這樣做卻暴露了儲存環不穩定的問題。儲存環在長時間工作過程中,磁場強度會發生飄移,原子核在儲存環中的迴旋週期也會相應地發生變化,因而會影響質量測量的精度。

(圖片來源:近代物理所提供)

“必須想辦法克服這個問題!”多少個不眠夜裡的討論和頭腦風暴,在一次又一次的計算和思考中,博士生塗小林發現,利用原子核間的相對迴旋週期代替絕對數值,可以很大程度上減小因為磁場變化帶來的影響。在後來的數據分析中發現,這一創造型處理方法得到的數據精度竟然比利用德國GSI研究所(德國亥姆霍茲重離子研究中心)數據處理方法的精度高出了三倍。

最終,質量測量組首次測得原子核65As的質量,並證明65As是質子非束縛核。在此基礎上,質量測量組和美國密歇根州立大學的國際權威天體核物理專家合作,解決了核天體物理學中懸而未決的一個重要科學問題,即對於第一類X射線暴,64Ge是否為快質子俘獲過程的“等待點”核的問題。 (不是理解原因,是理解核過程路徑和燃燒灰燼)近代物理研究所的實驗結果解決了這一科學難題,消除了X射線暴的一個主要不確定性。

英國前皇家物理學會理事長Phil Walker在評論這一研究成果時指出,地處黃河上游的水壩就像核天體物理快質子俘獲過程中的“等待點”一樣,水壩調節著河流匯入大海的進程。冥冥之中,這似乎意味著近代物理研究所是破解“等待點”難題的最佳研究場所。

這項研究成果發表在《Physical Review Letters》上,這是該刊發表的第一篇等時性質量測量文章,標誌著近代物理研究所在原子核質量精確測量領域確立了自己的國際前沿地位。更難能可貴的是,中國人在這一世界頂級刊物上發表實驗核物理文章到目前一共只有10篇,“其中的3篇出自我們團隊”,王猛自豪地說。

走向世界

原子核測量是依托蘭州重離子加速器這一大科學裝置的團隊合作研究,它不是一兩個人能完成的。王猛給我們轉發了兩篇團隊的文章。一篇是2009年發表在《International Journal of Modern Physics E》上的文章,當時有19位署名作者;另一篇是2018年發表在《Physics Letters B》上的文章,已經有51位署名作者。從19人到51人,反映了CSR精細核譜學質量測量團隊十年間的發展變遷。

“因為我們做的東西越來越複雜,加入的人就越來越多,合作團隊也變得越來越大”,王猛舉例介紹說,“實驗用到的探測器,其研製安裝非常複雜,因此需要很多人來配合。具體實驗時,探測器通常由兩個以上的同志負責,具體數據獲取和處理同時需要兩三個學生配合。”就這樣,團隊越做越大了。

王猛說,“除臨時性的大型國際合作以外,我們質量測量組已經成為了一個國際化的研究小組。”王猛指著辦公室的工位說,組里平時還有兩位外籍研究員,“一個是馬來西亞的藍乙華,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外進行訪問學習去了,他們訪問結束後還會回到組裡繼續支持我們的工作。”

CSR精細核譜學研究組不僅有來自國外的研究人員,還有很多來自國內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,她從武漢大學畢業後成為近代物理所的直博生,到蘭州已經有三個年頭了。在問及對蘭州和團隊的感受時,王茜笑呵呵地說:“慢慢習慣了蘭州的生活方式,團隊當然是很融洽啦。”

王猛坦言,不同學習背景的人員加入會形成一個新的環境,不同的想法會產生碰撞:“比如說藍乙華是學理論出身,他給我們團隊在理論方面、計算方面做了很多工作。”

隨著團隊的擴充,王猛團隊做的,遠不僅是“測”那麼簡單。

王猛研究員(圖片來源:近代物理所提供)

王猛打開了手機上的一個APP,展示他們團隊最近做的一個小程序Nucleus AMDc。打開這個小程序,手機屏幕上顯示一個“梭形”圖案,放大後就看到每一個方格代表一種核素,點進每個方格後就能看到一串密密麻麻的數值,分別代表每個核素的半衰期、原子核質量、自旋等基本信息。這是王猛團隊基於自己的精確測量結果,由團隊編碼、設計的應用軟件,能夠幫助科研工作者隨時查詢已測核素的基本數據。

這個“梭形”圖案有個邊緣地帶,即豐質子核區,CSR精細核譜學質量研究組的主要測量目標就集中在這一區域。對著這個“梭形”圖案,王猛自豪地說,“全世界由我們團隊首次測量的核素已經達到了25個,提高原子核質量數據精度的核素則有很大一批。”

與此同時,團隊還承擔了一項重要的工作——原子核質量評估。該工作是國際權威的原子核質量數據來源,為全世界科技工作者服務。 2013年起,國際原子質量評估工作由中科院近物所承擔。一時間,“國際原子質量評估中心移交中國”“原子核質量中國說了算”的話題見諸各大媒體——CSR精細核譜學質量研究組的這項工作成了社會各界關注的焦點。

2017年,歷時近5年之久,由王猛牽頭的《原子質量評估2016》在《中國物理C》(《Chinese Physics C》)上正式出版,這份報告共收錄實驗數據13035條,從中挑選出可靠且精度較高的實驗數據5675條作為有效的輸入數據。經過評估,推薦了基態原子質量3435個,包括2497個原子核的實驗數據和938個外推質量。王猛指著電腦前的兩本《中國物理C》說,由於他們的工作在國際上影響很大,為提高中國學術期刊的國際影響力做出了重要貢獻,《中國物理C》近年來的影響因子逐年上升,已達到SCI二區的水平。

2018年底,英國物理學會(Institute Of Physics,IOP)頒布“2018英國物理學會高被引中國作者獎”,王猛成功入選。該獎對2015-2017年在IOP期刊發表的所有論文進行評選,對被引次數在所屬領域排名為前百分之一的論文通訊作者進行表彰,來自物理、材料、生命科學、環境科學、應用數學、天文學和天體物理學等領域的151位作者獲獎。

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