中學(xué)子態(tài)是一種十分獨(dú)特的全新物質(zhì)形態(tài)，相當(dāng)于質(zhì)子數(shù)為零的物質(zhì)，深受數(shù)學(xué)學(xué)界特別大的關(guān)注。2019年11月，上海學(xué)院化學(xué)大學(xué)-中國科大學(xué)近代化學(xué)研究所合作團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)，理論預(yù)言了中學(xué)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(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，在《自然》（）上發(fā)表了題為“觀測到關(guān)聯(lián)自由中學(xué)子體系”（ofafreefour-）的文章，宣布實(shí)驗(yàn)發(fā)覺中學(xué)子態(tài)。在實(shí)驗(yàn)偏差范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果否認(rèn)了清華-近代化學(xué)所合作團(tuán)隊(duì)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(gè)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(xué)子態(tài)是一種十分獨(dú)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(jìn)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(gè)非常寶貴的新平臺。有人把中學(xué)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(shí)驗(yàn)研究打開了又一扇希望之門。
大概在60年前，化學(xué)學(xué)家提出了一個(gè)古怪的猜想：在月球上是否還能存在由幾個(gè)中子組成的純中子物態(tài)？科學(xué)家們首先想到的是中學(xué)子態(tài)。對純中子態(tài)的實(shí)驗(yàn)偵測和理論估算都是十分困難的。實(shí)驗(yàn)偵測要求奇思妙想的實(shí)驗(yàn)思路和技術(shù)技巧、先進(jìn)靈敏的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。理論估算要求真實(shí)可靠的高精度核力和嚴(yán)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(xué)工作者仍然沒能敲定多中子物態(tài)是否存在這個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的一個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然“看到”存在中學(xué)子態(tài)的一點(diǎn)蛛絲馬跡，該實(shí)驗(yàn)覺得可能存在禁錮的中學(xué)子態(tài)（參考文獻(xiàn)：F.M.etal.,PRC65,(2002)）。但因?yàn)閭蓽y例子太少，檢測精度太低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也沒能得到重復(fù)，所以沒有被認(rèn)定為中學(xué)子態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)例子。
曙光在2016年出現(xiàn)。在臺灣理物理研究所（RIKEN）的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中（參考文獻(xiàn)：K.etal.,PRL116,(2016)），科學(xué)家們偵測到極有可能是中學(xué)子共振態(tài)的實(shí)驗(yàn)訊號，能量在0.8±1.4MeV附近，計(jì)算的共振長度≤2.6MeV。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)偏差太大，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也沒能被明晰認(rèn)定為中學(xué)子態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但這個(gè)重要實(shí)驗(yàn)喚起了國際上從事原子核第一性原理估算理論團(tuán)隊(duì)的極延慶趣。一個(gè)代表性的工作是由英國愛荷華州立學(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相仿。
2018—2019年間，清華-近代化學(xué)所團(tuán)隊(duì)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(dāng)屬于一個(gè)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(dāng)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?yàn)槭褂米匀换Ｐ涂臻g，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(xué)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(gè)共振能量顯著低于之前的實(shí)驗(yàn)和其它理論結(jié)果，但為以后的實(shí)驗(yàn)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(xué)院化學(xué)大學(xué)2016級博士研究生李健國為論文第一作者（歷任近代化學(xué)所非常研究助理），上海學(xué)院化學(xué)大學(xué)許甫榮院士為通信作者；其他合作者包括近代化學(xué)所研究員、北京學(xué)院化學(xué)大學(xué)博士后胡柏山和近代化學(xué)所左維研究員。
圖1隨時(shí)間進(jìn)程近代物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)和理論有關(guān)中學(xué)子態(tài)的能量和共振長度
自從2016年的RIKEN實(shí)驗(yàn)后，科學(xué)家們?nèi)匀粵]有舍棄在實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)找尋中學(xué)子態(tài)的努力。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)覺中學(xué)子態(tài)。實(shí)驗(yàn)在美國RIKEN完成，由日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，臺灣、中國等多國科學(xué)家參與。該實(shí)驗(yàn)借助高能量8He次級束流轟擊質(zhì)子靶。8He是一個(gè)豐中子弱禁錮滴線核，由核芯4He和外邊四個(gè)中子組成。靶質(zhì)子與核芯4He發(fā)生準(zhǔn)彈性散射，使核芯4He離開8He，留下中學(xué)子體系。這一實(shí)驗(yàn)以遠(yuǎn)低于5倍標(biāo)準(zhǔn)誤差的統(tǒng)計(jì)明顯性發(fā)覺了中學(xué)子態(tài)的存在。借助缺位質(zhì)量譜方式獲得中學(xué)子態(tài)的能量為2.37±0.38(統(tǒng)計(jì)偏差）±0.44（系統(tǒng)偏差）MeV，共振長度為1.75±0.22（統(tǒng)計(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全否認(rèn)了清華-近代化學(xué)所合作團(tuán)隊(duì)有關(guān)中學(xué)子態(tài)所處能區(qū)的理論預(yù)言，如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)偏差范圍內(nèi)理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。該實(shí)驗(yàn)文章引用了清華-近代化學(xué)所合作團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)言值，以支持她們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
同期《自然》雜志在“新聞與觀點(diǎn)”欄目還發(fā)表了一篇短評，作者充分肯定了實(shí)驗(yàn)早已形成純中子體系這個(gè)事實(shí)，并強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步深入的實(shí)驗(yàn)研究和多體理論研究是十分必要的。清華-近代化學(xué)所合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展的NCGSM是一種第一性原理核多體方式，一個(gè)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(jìn)一步了解中學(xué)子態(tài)的幾何共振結(jié)構(gòu)，將對深入認(rèn)識中學(xué)子態(tài)具有重要意義。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究工作得到國家重點(diǎn)研制計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等支持。
清華-近代化學(xué)所合作團(tuán)隊(duì)原文鏈接：
《自然》實(shí)驗(yàn)原文鏈接：
供稿|上海學(xué)院技術(shù)化學(xué)系、中科院近代化學(xué)所理論化學(xué)室
編輯|孫嘉琪、劉芳