远离稳定线原子核的质量精确测量

基于新建的国家大科学工程-兰州重离子加速器冷却储存环，通过中高能弹核的碎裂反应产生远离稳定线的核素，利用Schottky质量谱仪和等时性质量测量方法，系统地精确测量质子滴线附近核和丰中子核的质量。在轻质量丰中子核区，系统测量从Ne到Ca的丰中子核素的质量，提取相关同位素链（同中子异位素链）的单核子分离能和双核子分离能随中子数（质子数）变化的系统性数据，研究N=20和28幻数随中子数和质子数变化的演化。在丰质子核区，精确测量快质子俘获路径上关键核素的质量，为解释X-射线爆等爆发性天体过程提供重要的质量数据。在中重丰中子核区，系统地精确测量丰中子核质量，通过天体网络计算模拟超新星爆发中的快中子俘获过程。在中重质量区，我们还将利用精确测量的短寿命原子核的质量，研究远离稳定线条件下原子核壳层结构、对能、核形状等的变化，对各种理论模型进行严格的检验。

质量是原子核的基本性质，原子核质量直接反映了核内强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用的结果。自兰州重离子储存环投入运行以来，开展短寿命原子核质量精确测量是近代物理研究所的重要研究方向之一。在项目执行期间，我们不断改进了等时性质量谱仪的性能、发展了新的数据处理方法、研制了基于双飞行时间探测器的高精度质量谱仪，与德国GSI合作研制了高灵敏度的Schottky探测器；完成了五轮次实验测量，利用中高能束流58Ni、78Kr、86Kr和112Sn的碎裂反应产生了短寿命中重质量近质子滴线核和丰中子原子核；利用等时性质量谱仪，首次直接精确测量了16个原子核的质量，提高了26个原子核的质量精度，实验数据的精度达到了10-6。与国内外理论物理学家合作，我们研究了原子核结构和核天体物理领域中重要的物理问题，取得的主要结果有：1）精确测量了65As质量，首次证明65As是质子非束缚核，确定了As同位素质子滴线的位置。将实验得到的65As高精度质子分离能数据输入到X射线暴模型中进行计算，发现X射线暴中主要的核反应流将通过质子俘获跨越64Ge, 也就是说，64Ge 并不是一个重要的“等待点”核；（2）确定了41Ti、45Cr、49Fe和53Ni等原子核的精确质量，实验数据的精度为20－40 keV。利用这些高精度原子核质量数据，首次在fp壳层对同位旋多重态质量公式（Isospin Multiplet Mass Equation，IMME）进行了严格检验，发现对于A=53、T=3/2的同位旋多重态，IMME公式失效。这一现象是现有的核理论无法解释的。核力具有近似的电荷无关性，导致在原子核中同位旋和同位旋第三分量是好量子数。原子核的同位旋多重态质量满足IMME公式，这是在量子力学微扰理论框架下得到的最基本的结论。发现IMME公式失效，意味着人们对原子核同位旋对称性及其破缺的认知是不完备的；（3）为了理解X射线暴能量产生、爆后灰烬的成分以及对银河系元素丰度的贡献，需要确定快质子俘获过程的核反应路径。除了宏观的天体物理条件外，在核的层次上需要精确知道相关短寿命核素的质量、寿命及核反应率等。这些数据的精确实验测量，长期以来一直是核天体物理学界关注的热点。我们精确测定了45Cr的质量，确定了在X射线暴中低质量区快质子俘获核反应路径的走向，否定了理论预言的Ca-Sc循环的存在。