文｜《中國科學報》見習記者葉遍野
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，耗費1個禮拜，幾萬億個穩定原子核沖向反應靶，就能形成幾十個目標原子核。
其次，原子核質量很輕。單個原子核的大小在1費米量級，質量大概為10-25千克。
再度，對于壽命很短的原子核，檢測必須足夠快。質量未知的原子核壽命一般在一秒以下，需在發生衰變之前完成所有的檢測。
給原子核稱體重有多重要？
精確檢測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。
在中國科大學近代化學研究所（以下簡稱近代化學所），就有這樣一群給原子核稱體重的人。該所原子核質量檢測團隊基于國際首創的“超級天平”，成功檢測了12個高精度短壽命原子核的質量，在發覺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。近期，相關研究成果分別發表于《自然-化學》和《物理評論快報》。
團隊首席科學家
張玉虎葉遍野/攝
近代化學所原子核質量檢測團隊有20余人物理實驗工具，這個團隊的建設離不開首席科學家張玉虎的“招兵買馬”。
張玉虎去年61歲，是團隊里的“老大哥”，也是近代化學所最早的一批核化學研究生。近40年來，他仍然與原子核打交道，近10年的工作則是圍繞西安重離子加速器進行原子核質量檢測。
“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，形成壽命十分短的原子核。”張玉虎告訴《中國科學報》。
2007年，近代化學所新增太原重離子加速器冷卻存儲環，專門用于短壽命原子核的質量檢測實驗。2010年，張玉虎奉命成立原子核質量檢測團隊。
“地處大西北，最困難的就是籠絡人才。”張玉虎介紹，因此，研究所下了很大工夫引進人才，同時高度注重人才的儲備和培養。通過多年努力，團隊成員逐漸擴展。
團隊的問題解決了，另一個困局是實驗機會。
成都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。每次實驗須要100至200小時，所以有時團隊一年只有一次寶貴的機會，成員們都倍加珍視。
有了實驗機會，還有一個困局是用哪些樣的稱重工具。“原子核質量可以通過多種方式進行檢測，包括直接檢測和間接檢測。存儲環質譜術就屬于直接檢測方式。”張玉虎說，然而傳統的存儲環質譜術的質量辨別能力不夠，實驗結果有較大的偏差。
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’得到了檢測難度很高的短壽命原子核的質量。”
“超級天平”的成功運行，離不開團隊每位成員的付出，尤其是團隊歷任負責人——近代化學所存儲環核化學室組長、研究員王猛。
“超級天平”負責人
王猛葉遍野/攝
王猛的辦公室里有一張同位素圖，遠遠看去，高低起伏，像喜馬拉雅山脈。
“中間這條黑線就是同位素圖的穩定線，越緊靠兩側，同位素形成就越困難。”王猛指了指墻壁的同位素圖說，團隊的重點工作就是檢測這種壽命十分短的放射性同位素。
團隊所檢測的原子核的壽命大約為100納秒，可以說一眨眼的功夫，原子核就衰變了。這種原子核除了壽命短，產額還特別低，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”——重離子存儲環，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。傳統的方式只能檢測離子的飛行時間，對于等時性窗口外的離子檢測精度低，甚至還可能存在系統偏差。”王猛說。
因此，團隊獨立發展了新一代的存儲環質譜術。她們在存儲環上新增了兩個飛行時間偵測器，原子核在這兩個偵測器上都形成訊號，由此可以精確獲得每位離子的磁撓度和軌道寬度信息，從而實現高精度檢測。
“原理說上去很簡單，但要實現高精度檢測，技術上存在好多困難。團隊花了近10年時間，逐漸解決了這種困局。新型質譜術的療效是在全接收度范圍內，存儲環對所有離子的辨別能力都得到了急劇增強，大大提升了實驗效率，減少了質量檢測實驗中的系統偏差。”王猛表示。
2017年，團隊借助新型質譜術第一次得到了重要的數學實驗結果。2018年，團隊再接再厲完成了第二次實驗。這才有了去年兩篇高質量文章的發表。
擅于解決問題的實驗設計師
顏鑫亮受訪者供圖
有了“超級天平”，敲定了實驗方案，接出來就是解決具體實驗過程中的問題。例如，怎么排除系統偏差，提升檢測精度。
“排球的質量大概是280克，空客A380的質量大概是280噸，這三者的質量比是1：100萬。假如把存儲環中飛行的原子核比喻成空客A380，這么我們的檢測精度就意味著要區分出空客A380上是否多載或少載了一個足球。”近代化學所存儲環核化學室副部長、副研究員顏鑫亮告訴《中國科學報》。
“百萬分之一這些高精度的質量檢測，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，在初期的實驗中，因為裝置的磁場不穩定，他發覺測試儀上離子和離子之間的回旋周期譜交叉重合在一起，給后期的數據剖析帶來很大的困難和出錯的風險。
“數據剖析只能部份增加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類形式技巧，花了兩兩年時間，才發覺問題的關鍵是用了10年的電源早已嚴重老化。”顏鑫亮說。
2017年，在更換新電源和改建電磁環境以后，團隊順利完成了新型質譜術實驗。2021年，團隊又發覺了另外一個阻礙磁場常年穩定性的誘因——冷卻水的體溫。
“這兩個最大的阻礙誘因都已被我們發覺，在下一代存儲環建設中，我們都會避開出現這類問題。”顏鑫亮表示，經過多年的磨煉，團隊早已產生了反復細摳問題的工作作風。
假如把重離子加速器提供的束流稱作火箭彈，顏鑫亮的工作任務就是設置手榴彈的能量和檢測裝置的參數，等待子彈擊中目標，形成的碎片就是須要檢測的目標離子。
“這個過程猶如捕魚一樣物理實驗工具，提早布置好魚網，耐心等待魚兒進網。”顏鑫亮說，測試儀器中的碳膜像魚網一樣，每次離子穿過以后，都有一定機率形成訊號。離子在存儲環中飛行400圈左右，檢測就結束了。
接出來，須要把這400圈飛行形成的波形訊號記錄出來，并進行數據剖析。這一步輪到近代化學所存儲環核化學室博士研究生周旭“出場”了。
不服輸的數據剖析程序師
周旭受訪者供圖
周旭，一個酷愛打兵乓球的科研人員，是近代化學所兵乓球打得最好的人。由于熱愛，每年他就會出席各種類型的兵乓球大賽，但2018年周旭舍棄了所有的賽事。
2017年，周旭被張玉虎選入新型質譜術研制團隊。實驗方案敲定后，就步入實驗程序開發階段。并且原有程序“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，搜救每位離午時都要將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種周期進行篩選，這樣可以推動搜救速率，使程序的整體速率提升7.6倍。”周旭解釋道。
從單飛行時間偵測器到雙飛行時間偵測器，程序的編撰也是漸漸積累的。原有程序早已不適應新的研究方向，按顏鑫亮的要求，周旭須要改寫原有程序。
周旭說：“每次做PPT都須要將實驗配圖畫下來，單PPT我就制做了1300張。”周旭直言，由于自己基本功缺乏，畫實驗配圖十分費力。并且張玉虎要求很嚴格，基本上是一張圖、一張圖地強調錯誤。
忙得舍棄了兵乓球聯賽的周旭表示，正是這幾百次的磨煉，以及團隊里老師、師兄前輩的幫助，他能夠進一步增強程序運算速率，少走了幾年的彎路。
在34960次的實驗數據注入后，內含離子數達到了個。面對海量的離子信息，其他人建議舍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。
而且不服輸的勁頭讓周旭決定對那些數據圖上比較陡的轉變能因子下手。“我的看法很簡單，就是不想丟數據，由于每一個離子的形成都不容易。”
為了寫好程序，周旭曾連續工作15天、每天只睡3個小時。總算，他將所有離子都驗證成功，為此次新型質譜術的檢測結果提供了有力支撐。
此次近代化學所原子核質量檢測團隊檢測了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個是重新檢測的原子核，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。“這次在核化學領域取得重要成果，始于我們的持續努力和不懈探求，未來我們還將繼續探究核化學的前沿科學問題，為促進我國核化學研究做出自己的貢獻。”王猛說。