文｜《中国科学报》见习记者叶遍野
给原子核称体重有多难？
首先，要拥有一个原子核。在实验里，在重离子加速器的帮助下，耗费1个礼拜，几万亿个稳定原子核冲向反应靶，就能形成几十个目标原子核。
其次，原子核质量很轻。单个原子核的大小在1费米量级，质量大概为10-25千克。
再度，对于寿命很短的原子核，检测必须足够快。质量未知的原子核寿命一般在一秒以下，需在发生衰变之前完成所有的检测。
给原子核称体重有多重要？
精确检测短寿命原子核的质量，是探究物质微观结构和宇宙中化学元素起源的基础。
在中国科大学近代化学研究所（以下简称近代化学所），就有这样一群给原子核称体重的人。该所原子核质量检测团队基于国际首创的“超级天平”，成功检测了12个高精度短寿命原子核的质量，在发觉原子核的结构和性质、探索元素起源等方面取得了令人瞩目的成绩。近期，相关研究成果分别发表于《自然-化学》和《物理评论快报》。
团队首席科学家
张玉虎叶遍野/摄
近代化学所原子核质量检测团队有20余人物理实验工具，这个团队的建设离不开首席科学家张玉虎的“招兵买马”。
张玉虎去年61岁，是团队里的“老大哥”，也是近代化学所最早的一批核化学研究生。近40年来，他仍然与原子核打交道，近10年的工作则是围绕西安重离子加速器进行原子核质量检测。
“我们将带电的离子放进加速器中，离子在高速运动中与其他原子核进行碰撞，形成寿命十分短的原子核。”张玉虎告诉《中国科学报》。
2007年，近代化学所新增太原重离子加速器冷却存储环，专门用于短寿命原子核的质量检测实验。2010年，张玉虎奉命成立原子核质量检测团队。
“地处大西北，最困难的就是笼络人才。”张玉虎介绍，因此，研究所下了很大工夫引进人才，同时高度注重人才的储备和培养。通过多年努力，团队成员逐渐扩展。
团队的问题解决了，另一个困局是实验机会。
成都重离子加速器是开放的大科学装置，每年申请前来做实验的科研人员较多，机时竞争激烈。每次实验须要100至200小时，所以有时团队一年只有一次宝贵的机会，成员们都倍加珍视。
有了实验机会，还有一个困局是用哪些样的称重工具。“原子核质量可以通过多种方式进行检测，包括直接检测和间接检测。存储环质谱术就属于直接检测方式。”张玉虎说，然而传统的存储环质谱术的质量辨别能力不够，实验结果有较大的偏差。
张玉虎告诉记者：“这次两篇文章能顺利发表，最重要的是采用了国际首创的新型质谱术，用这个‘超级天平’得到了检测难度很高的短寿命原子核的质量。”
“超级天平”的成功运行，离不开团队每位成员的付出，尤其是团队历任负责人——近代化学所存储环核化学室组长、研究员王猛。
“超级天平”负责人
王猛叶遍野/摄
王猛的办公室里有一张同位素图，远远看去，高低起伏，像喜马拉雅山脉。
“中间这条黑线就是同位素图的稳定线，越紧靠两侧，同位素形成就越困难。”王猛指了指墙壁的同位素图说，团队的重点工作就是检测这种寿命十分短的放射性同位素。
团队所检测的原子核的寿命大约为100纳秒，可以说一眨眼的功夫，原子核就衰变了。这种原子核除了寿命短，产额还特别低，所以做好“超级天平”至关重要。
目前，世界上有3台同类型的“天平”——重离子存储环，用于给短寿命原子核称体重，所用的都是传统的等时性质谱术。“储存环中只有少部分离子满足等时性条件。传统的方式只能检测离子的飞行时间，对于等时性窗口外的离子检测精度低，甚至还可能存在系统偏差。”王猛说。
因此，团队独立发展了新一代的存储环质谱术。她们在存储环上新增了两个飞行时间侦测器，原子核在这两个侦测器上都形成讯号，由此可以精确获得每位离子的磁挠度和轨道宽度信息，从而实现高精度检测。
“原理说上去很简单，但要实现高精度检测，技术上存在好多困难。团队花了近10年时间，逐渐解决了这种困局。新型质谱术的疗效是在全接收度范围内，存储环对所有离子的辨别能力都得到了急剧增强，大大提升了实验效率，减少了质量检测实验中的系统偏差。”王猛表示。
2017年，团队借助新型质谱术第一次得到了重要的数学实验结果。2018年，团队再接再厉完成了第二次实验。这才有了去年两篇高质量文章的发表。
擅于解决问题的实验设计师
颜鑫亮受访者供图
有了“超级天平”，敲定了实验方案，接出来就是解决具体实验过程中的问题。例如，怎么排除系统偏差，提升检测精度。
“排球的质量大概是280克，空客A380的质量大概是280吨，这三者的质量比是1：100万。假如把存储环中飞行的原子核比喻成空客A380，这么我们的检测精度就意味着要区分出空客A380上是否多载或少载了一个足球。”近代化学所存储环核化学室副部长、副研究员颜鑫亮告诉《中国科学报》。
“百万分之一这些高精度的质量检测，对磁场的稳定性要求也是同等量级的。”颜鑫亮负责实验设计，在初期的实验中，因为装置的磁场不稳定，他发觉测试仪上离子和离子之间的回旋周期谱交叉重合在一起，给后期的数据剖析带来很大的困难和出错的风险。
“数据剖析只能部份增加磁场不稳定性的影响。为了从根本上解决这个问题，我们联合不同部门尝试了各类形式技巧，花了两两年时间，才发觉问题的关键是用了10年的电源早已严重老化。”颜鑫亮说。
2017年，在更换新电源和改建电磁环境以后，团队顺利完成了新型质谱术实验。2021年，团队又发觉了另外一个阻碍磁场常年稳定性的诱因——冷却水的体温。
“这两个最大的阻碍诱因都已被我们发觉，在下一代存储环建设中，我们都会避开出现这类问题。”颜鑫亮表示，经过多年的磨炼，团队早已产生了反复细抠问题的工作作风。
假如把重离子加速器提供的束流称作火箭弹，颜鑫亮的工作任务就是设置手榴弹的能量和检测装置的参数，等待子弹击中目标，形成的碎片就是须要检测的目标离子。
“这个过程犹如捕鱼一样物理实验工具，提早布置好鱼网，耐心等待鱼儿进网。”颜鑫亮说，测试仪器中的碳膜像鱼网一样，每次离子穿过以后，都有一定机率形成讯号。离子在存储环中飞行400圈左右，检测就结束了。
接出来，须要把这400圈飞行形成的波形讯号记录出来，并进行数据剖析。这一步轮到近代化学所存储环核化学室博士研究生周旭“出场”了。
不服输的数据剖析程序师
周旭受访者供图
周旭，一个酷爱打兵乓球的科研人员，是近代化学所兵乓球打得最好的人。由于热爱，每年他就会出席各种类型的兵乓球大赛，但2018年周旭舍弃了所有的赛事。
2017年，周旭被张玉虎选入新型质谱术研制团队。实验方案敲定后，就步入实验程序开发阶段。并且原有程序“跑”起来较慢，于是周旭决定改变程序中一个模块。
“由于循环周期未知，搜救每位离午时都要将1.8万个可能的周期逐一尝试一遍。我设计的模块能预先对这种周期进行筛选，这样可以推动搜救速率，使程序的整体速率提升7.6倍。”周旭解释道。
从单飞行时间侦测器到双飞行时间侦测器，程序的编撰也是渐渐积累的。原有程序早已不适应新的研究方向，按颜鑫亮的要求，周旭须要改写原有程序。
周旭说：“每次做PPT都须要将实验配图画下来，单PPT我就制做了1300张。”周旭直言，由于自己基本功缺乏，画实验配图十分费力。并且张玉虎要求很严格，基本上是一张图、一张图地强调错误。
忙得舍弃了兵乓球联赛的周旭表示，正是这几百次的磨炼，以及团队里老师、师兄前辈的帮助，他能够进一步增强程序运算速率，少走了几年的弯路。
在34960次的实验数据注入后，内含离子数达到了个。面对海量的离子信息，其他人建议舍弃研究数据图上比较陡的离子，直接研究平稳状态下的离子信息。
而且不服输的劲头让周旭决定对那些数据图上比较陡的转变能因子下手。“我的看法很简单，就是不想丢数据，由于每一个离子的形成都不容易。”
为了写好程序，周旭曾连续工作15天、每天只睡3个小时。总算，他将所有离子都验证成功，为此次新型质谱术的检测结果提供了有力支撑。
此次近代化学所原子核质量检测团队检测了12个高精度短寿命原子核，其中6个是未知的短寿命原子核，另外6个是重新检测的原子核，得到了更精确的数据。目前，科学家在实验室中产出的原子核有3340多个，质量未知的还有790多个。“这次在核化学领域取得重要成果，始于我们的持续努力和不懈探求，未来我们还将继续探究核化学的前沿科学问题，为促进我国核化学研究做出自己的贡献。”王猛说。