中學子態(tài)是一種十分獨特的全新物質(zhì)形態(tài)，相當于質(zhì)子數(shù)為零的物質(zhì)，深受數(shù)學學界特別大的關(guān)注。2019年11月，上海學院化學大學-中國科大學近代化學研究所合作團隊在《物理評論C》（C）上在線發(fā)表了題為“多中子體系的第一性原理無芯伽莫夫殼模型估算”（Abno-coreGamowshell-modelof）的文章近代物理實驗，理論預(yù)言了中學子態(tài)的共振能量和共振長度。2022年6月22日，由葡萄牙、日本、中國等多國科學家組成的研究團隊，在《自然》（）上發(fā)表了題為“觀測到關(guān)聯(lián)自由中學子體系”（ofafreefour-）的文章，宣布實驗發(fā)覺中學子態(tài)。在實驗偏差范圍內(nèi)，該實驗結(jié)果否認了清華-近代化學所合作團隊的理論預(yù)言。
眾所周知，自由中子不能常年成活，平均壽命只有15分鐘左右。純中子物質(zhì)在自然界中也只能存在于中子星等極端天體環(huán)境中，例如在超新星爆發(fā)的外圍，被覺得有體溫約為5—10MeV的中子二氧化碳（這個能區(qū)正好與我們?nèi)缃耜P(guān)心的中子物態(tài)有關(guān)聯(lián)）。中學子態(tài)是一種十分獨特的全新物質(zhì)形態(tài)，它的發(fā)覺似乎會改變?nèi)藗儗ξ飸B(tài)基本概念的理解，為進一步研究核子間基本斥力和復(fù)雜量子關(guān)聯(lián)提供一個非常寶貴的新平臺。有人把中學子態(tài)戲稱為“短壽命微型中子星”，為今后有關(guān)中子物態(tài)的實驗研究打開了又一扇希望之門。
大概在60年前，化學學家提出了一個古怪的猜想：在月球上是否還能存在由幾個中子組成的純中子物態(tài)？科學家們首先想到的是中學子態(tài)。對純中子態(tài)的實驗偵測和理論估算都是十分困難的。實驗偵測要求奇思妙想的實驗思路和技術(shù)技巧、先進靈敏的實驗設(shè)備。理論估算要求真實可靠的高精度核力和嚴格的量子多體關(guān)聯(lián)處理，須要超大規(guī)模的數(shù)值估算。所以，60年來，科學工作者仍然沒能敲定多中子物態(tài)是否存在這個問題。
在最初的理論研究方面，對純中子物態(tài)的估算堪稱是五花八門。有些理論研究覺得存在禁錮的多中子物質(zhì)，也有理論預(yù)言存在共振的多中子體系，還有理論研究覺得不可能存在純中子物態(tài)。實驗上，60年來就像大海撈針，找尋多中子態(tài)仍然沒有結(jié)果。但在2002年，俄羅斯GANIL國家實驗室的一個實驗雖然“看到”存在中學子態(tài)的一點蛛絲馬跡，該實驗覺得可能存在禁錮的中學子態(tài)（參考文獻：F.M.etal.,PRC65,(2002)）。但因為偵測例子太少，檢測精度太低，實驗結(jié)果也沒能得到重復(fù)，所以沒有被認定為中學子態(tài)存在的實驗例子。
曙光在2016年出現(xiàn)。在臺灣理物理研究所（RIKEN）的一個實驗中（參考文獻：K.etal.,PRL116,(2016)），科學家們偵測到極有可能是中學子共振態(tài)的實驗訊號，能量在0.8±1.4MeV附近，計算的共振長度≤2.6MeV。因為實驗偏差太大，這個實驗結(jié)果也沒能被明晰認定為中學子態(tài)存在的實驗證據(jù)。但這個重要實驗喚起了國際上從事原子核第一性原理估算理論團隊的極延慶趣。一個代表性的工作是由英國愛荷華州立學院核理論組完成的，她們在2016—2018年間，基于ab核力和無芯殼模型（NCSM）估算了中學子體系，得到的共振能量在0.8—1.0MeV區(qū)間，共振長度在1.0—1.5MeV之間，與2016年臺灣RIKEN實驗結(jié)果相仿。
2018—2019年間，清華-近代化學所團隊合作，舉辦了多中子體系理論研究。考慮到多中子態(tài)應(yīng)當屬于一個開放的量子體系，中子與邊界區(qū)域連續(xù)態(tài)耦合作用應(yīng)當不可忽略，因此，她們從手征有效場論核力N3LO出發(fā)，發(fā)展了自然基無芯伽莫夫殼模型（NCGSM）。這是一種第一性原理方式，所用核力充分考慮了QCD基本對稱性，所用多體方式挺好包含了連續(xù)譜耦合效應(yīng)。因為使用自然基模型空間，NCGSM估算才能包含完整的量子多體關(guān)聯(lián)。她們預(yù)言的中學子態(tài)約有2.6MeV的共振能量和2.3MeV的共振長度。如圖1所示，這個共振能量顯著低于之前的實驗和其它理論結(jié)果，但為以后的實驗探求提供了新的思路。2019年11月11日，相關(guān)研究成果以“多中子體系的第一性原理無芯伽莫夫殼模型估算”（Abno-coreGamowshell-modelof）為題，在線發(fā)表于《物理評論C》。上海學院化學大學2016級博士研究生李健國為論文第一作者（歷任近代化學所非常研究助理），上海學院化學大學許甫榮院士為通信作者；其他合作者包括近代化學所研究員、北京學院化學大學博士后胡柏山和近代化學所左維研究員。
圖1隨時間進程近代物理實驗，實驗和理論有關(guān)中學子態(tài)的能量和共振長度
自從2016年的RIKEN實驗后，科學家們?nèi)匀粵]有舍棄在實驗中繼續(xù)找尋中學子態(tài)的努力。實驗上的重大突破總算出現(xiàn)，2022年6月22日，一篇發(fā)表在《自然》的文章宣布實驗發(fā)覺中學子態(tài)。實驗在美國RIKEN完成，由日本科學家團隊主導(dǎo)，臺灣、中國等多國科學家參與。該實驗借助高能量8He次級束流轟擊質(zhì)子靶。8He是一個豐中子弱禁錮滴線核，由核芯4He和外邊四個中子組成。靶質(zhì)子與核芯4He發(fā)生準彈性散射，使核芯4He離開8He，留下中學子體系。這一實驗以遠低于5倍標準誤差的統(tǒng)計明顯性發(fā)覺了中學子態(tài)的存在。借助缺位質(zhì)量譜方式獲得中學子態(tài)的能量為2.37±0.38(統(tǒng)計偏差）±0.44（系統(tǒng)偏差）MeV，共振長度為1.75±0.22（統(tǒng)計偏差）±0.30（系統(tǒng)偏差）MeV，對應(yīng)的共振壽命為(3.8±0.8)ⅹ10-22秒。這個實驗結(jié)果完全否認了清華-近代化學所合作團隊有關(guān)中學子態(tài)所處能區(qū)的理論預(yù)言，如圖1所示，在實驗偏差范圍內(nèi)理論預(yù)言與實驗結(jié)果高度一致。該實驗文章引用了清華-近代化學所合作團隊的理論預(yù)言值，以支持她們的實驗結(jié)果。
同期《自然》雜志在“新聞與觀點”欄目還發(fā)表了一篇短評，作者充分肯定了實驗早已形成純中子體系這個事實，并強調(diào)進一步深入的實驗研究和多體理論研究是十分必要的。清華-近代化學所合作團隊發(fā)展的NCGSM是一種第一性原理核多體方式，一個共振態(tài)可以包含多種多體共振成分。假如才能基于這一理論技巧進一步了解中學子態(tài)的幾何共振結(jié)構(gòu)，將對深入認識中學子態(tài)具有重要意義。據(jù)悉，該團隊發(fā)表于《物理評論C》（PRC100,(2019)）的理論文章還預(yù)言了三中子共振態(tài)的能量和共振長度。
該項研究工作得到國家重點研制計劃、國家自然科學基金等支持。
清華-近代化學所合作團隊原文鏈接：
《自然》實驗原文鏈接：
供稿|上海學院技術(shù)化學系、中科院近代化學所理論化學室
編輯|孫嘉琪、劉芳