張玉虎 葉滿山/攝

王猛 葉滿山/攝

顏鑫亮 受訪者供圖

周旭 受訪者供圖

■本報見習記者 葉滿山

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，花費1個星期，幾萬億個穩(wěn)定原子核沖向反應靶，才能產(chǎn)生幾十個目標原子核。

其次，原子核質(zhì)量很輕。單個原子核的大小在1費米量級，質(zhì)量大約為10-25千克。

再次，對于壽命很短的原子核，測量必須足夠快。質(zhì)量未知的原子核壽命通常在1秒以下，需在發(fā)生衰變之前完成所有的測量。

給原子核稱體重有多重要？

精確測量短壽命原子核的質(zhì)量，是探究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和宇宙中化學元素起源的基礎(chǔ)。

在中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所），就有這樣一群給原子核稱體重的人。該所原子核質(zhì)量測量團隊基于國際首創(chuàng)的“超級天平”，成功測量了12個高精度短壽命原子核的質(zhì)量，在發(fā)現(xiàn)原子核的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、探索元素起源等方面取得了令人矚目的成績。近日，相關(guān)研究成果分別發(fā)表于《自然-物理》和《物理評論快報》。

團隊首席科學家

近代物理所原子核質(zhì)量測量團隊有20余人，這個團隊的建設(shè)離不開首席科學家張玉虎的“招兵買馬”。

張玉虎今年61歲，是團隊里的“老大哥”，也是近代物理所最早的一批核物理研究生。近40年來，他一直與原子核打交道，近10年的工作則是圍繞蘭州重離子加速器進行原子核質(zhì)量測量。

“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，產(chǎn)生壽命非常短的原子核。”張玉虎告訴《中國科學報》。

2007年，近代物理所新增蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，專門用于短壽命原子核的質(zhì)量測量實驗。2010年，張玉虎受命組建原子核質(zhì)量測量團隊。

“地處大西北，最困難的就是招攬人才。”張玉虎介紹，為此，研究所下了很大功夫引進人才，同時高度重視人才的儲備和培養(yǎng)。通過多年努力，團隊成員逐步擴充。

團隊的問題解決了，另一個難題是實驗機會。

蘭州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。每次實驗需要100至200小時，所以有時團隊一年只有一次寶貴的機會，成員們都倍加珍惜。

有了實驗機會，還有一個難題是用什么樣的稱重工具。“原子核質(zhì)量可以通過多種方法進行測量，包括直接測量和間接測量。儲存環(huán)質(zhì)譜術(shù)就屬于直接測量方法。”張玉虎說，但是傳統(tǒng)的儲存環(huán)質(zhì)譜術(shù)的質(zhì)量分辨能力不夠，實驗結(jié)果有較大的誤差。

張玉虎告訴記者：“這次兩篇文章能順利發(fā)表，最重要的是采用了國際首創(chuàng)的新型質(zhì)譜術(shù)，用這個‘超級天平’得到了測量難度很高的短壽命原子核的質(zhì)量。”

“超級天平”的成功運行，離不開團隊每個成員的付出，尤其是團隊現(xiàn)任負責人——近代物理所儲存環(huán)核物理室主任、研究員王猛。

“超級天平”負責人

王猛的辦公室里有一張核素圖，遠遠看去，高低起伏，像喜馬拉雅山脈。

“中間這條黑線就是核素圖的穩(wěn)定線，越靠近兩邊，核素產(chǎn)生就越困難。”王猛指了指墻上的核素圖說，團隊的重點工作就是測量這些壽命非常短的放射性核素。

團隊所測量的原子核的壽命大概為100毫秒，可以說一眨眼的工夫，原子核就衰變了。這些原子核不僅壽命短，產(chǎn)額還非常低，所以做好“超級天平”至關(guān)重要。

目前，世界上有3臺同類型的“天平”——重離子儲存環(huán)，用于給短壽命原子核稱體重，所用的都是傳統(tǒng)的等時性質(zhì)譜術(shù)。“儲存環(huán)中只有少部分離子滿足等時性條件。傳統(tǒng)的方法只能測量離子的飛行時間，對于等時性窗口外的離子測量精度低，甚至還可能存在系統(tǒng)誤差。”王猛說。

為此，團隊獨立發(fā)展了新一代的儲存環(huán)質(zhì)譜術(shù)。他們在儲存環(huán)上新增了兩個飛行時間探測器，原子核在這兩個探測器上都產(chǎn)生信號，由此可以精確獲得每個離子的磁剛度和軌道長度信息，進而實現(xiàn)高精度測量。

“原理說起來很簡單，但要實現(xiàn)高精度測量，技術(shù)上存在很多困難。團隊花了近10年時間，逐步解決了這些難題。新型質(zhì)譜術(shù)的效果是在全接收度范圍內(nèi)，儲存環(huán)對所有離子的分辨能力都得到了大幅提高，大大提高了實驗效率，降低了質(zhì)量測量實驗中的系統(tǒng)誤差。”王猛表示。

2017年，團隊利用新型質(zhì)譜術(shù)第一次得到了重要的物理實驗結(jié)果。2018年，團隊再接再厲完成了第二次實驗。這才有了今年兩篇高質(zhì)量文章的發(fā)表。

善于解決問題的實驗設(shè)計師

有了“超級天平”，敲定了實驗方案，接下來就是解決具體實驗過程中的問題。比如，如何排除系統(tǒng)誤差，提高測量精度。

“排球的質(zhì)量大約是280克，空客A380的質(zhì)量大約是280噸，這兩者的質(zhì)量比是1：100萬。如果把儲存環(huán)中飛行的原子核比喻成空客A380，那么我們的測量精度就意味著要分辨出空客A380上是否多載或少載了一個排球。”近代物理所儲存環(huán)核物理室副主任、副研究員顏鑫亮告訴《中國科學報》。

“百萬分之一這種高精度的質(zhì)量測量，對磁場的穩(wěn)定性要求也是同等量級的。”顏鑫亮負責實驗設(shè)計，在早期的實驗中，由于裝置的磁場不穩(wěn)定，他發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)分析帶來很大的困難和出錯的風險。

“數(shù)據(jù)分析只能部分降低磁場不穩(wěn)定性的影響。為了從根本上解決這個問題，我們聯(lián)合不同部門嘗試了各種方式方法，花了兩三年時間，才發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵是用了10年的電源已經(jīng)嚴重老化。”顏鑫亮說。

2017年，在更換新電源和改造電磁環(huán)境之后，團隊順利完成了新型質(zhì)譜術(shù)實驗。2021年，團隊又發(fā)現(xiàn)了另外一個制約磁場長期穩(wěn)定性的因素——冷卻水的溫度。

“這兩個最大的制約因素都已被我們發(fā)現(xiàn)，在下一代儲存環(huán)建設(shè)中，我們就會避免出現(xiàn)這類問題。”顏鑫亮表示，經(jīng)過多年的歷練，團隊已經(jīng)形成了反復細摳問題的工作作風。

如果把重離子加速器提供的束流比作炮彈，顏鑫亮的工作任務(wù)就是設(shè)置炮彈的能量和測量裝置的參數(shù)，等待炮彈擊中目標，產(chǎn)生的碎片就是需要測量的目標離子。

“這個過程就像捕魚一樣，提前布置好漁網(wǎng)，耐心等待魚兒進網(wǎng)。”顏鑫亮說，測試儀器中的碳膜像漁網(wǎng)一樣，每次離子穿過之后，都有一定概率產(chǎn)生信號。離子在儲存環(huán)中飛行400圈左右，測量就結(jié)束了。

接下來，需要把這400圈飛行產(chǎn)生的波形信號記錄下來，并進行數(shù)據(jù)分析。這一步輪到近代物理所儲存環(huán)核物理室博士研究生周旭“出場”了。

不服輸?shù)臄?shù)據(jù)分析程序師

周旭，一個酷愛打乒乓球的科研人員，是近代物理所乒乓球打得最好的人。因為熱愛，每年他都會參加各種類型的乒乓球比賽，但2018年周旭放棄了所有的比賽。

2017年，周旭被張玉虎選入新型質(zhì)譜術(shù)研發(fā)團隊。實驗方案敲定后，就進入實驗程序開發(fā)階段。但是原有程序“跑”起來較慢，于是周旭決定改變程序中一個模塊。

“由于循環(huán)周期未知，搜尋每個離子時都要將1.8萬個可能的周期逐一嘗試一遍。我設(shè)計的模塊能預先對這些周期進行篩選，這樣可以加快搜尋速度，使程序的整體速度提高7.6倍。”周旭解釋道。

從單飛行時間探測器到雙飛行時間探測器，程序的編寫也是慢慢積累的。原有程序已經(jīng)不適應新的研究方向，按顏鑫亮的要求，周旭需要改寫原有程序。

周旭說：“每次做PPT都需要將實驗配圖畫出來，單PPT我就制作了1300張。”周旭坦言，因為自己基本功欠缺，畫實驗配圖非常費勁。但是張玉虎要求很嚴格，基本上是一張圖、一張圖地指出錯誤。

忙得放棄了乒乓球比賽的周旭表示，正是這幾百次的錘煉，以及團隊里老師、師兄師姐的幫助，他才能進一步提高程序運算速度，少走了幾年的彎路。

在34960次的實驗數(shù)據(jù)注入后，內(nèi)含離子數(shù)達到了812413個。面對海量的離子信息，其他人建議放棄研究數(shù)據(jù)圖上比較陡的離子，直接研究平穩(wěn)狀態(tài)下的離子信息。

但是不服輸?shù)膭蓬^讓周旭決定對這些數(shù)據(jù)圖上比較陡的轉(zhuǎn)變能因子下手。“我的想法很簡單，就是不想丟數(shù)據(jù)，因為每一個離子的產(chǎn)生都不容易。”

為了寫好程序，周旭曾連續(xù)工作15天、每天只睡3個小時。終于，他將所有離子都驗證成功，為這次新型質(zhì)譜術(shù)的測量結(jié)果提供了有力支撐。

這次近代物理所原子核質(zhì)量測量團隊測量了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個是重新測量的原子核，得到了更精確的數(shù)據(jù)。目前，科學家在實驗室中產(chǎn)出的原子核有3340多個，質(zhì)量未知的還有790多個。“這次在核物理領(lǐng)域取得重要成果，源于我們的持續(xù)努力和不懈探索，未來我們還將繼續(xù)探究核物理的前沿科學問題，為推動我國核物理研究作出自己的貢獻。”王猛說。