中学子态是一种十分独特的全新物质形态，相当于质子数为零的物质，深受数学学界特别大的关注。2019年11月，上海学院化学大学-中国科大学近代化学研究所合作团队在《物理评论C》（C）上在线发表了题为“多中子体系的第一性原理无芯伽莫夫壳模型估算”（Abno-coreGamowshell-modelof）的文章近代物理实验，理论预言了中学子态的共振能量和共振长度。2022年6月22日，由葡萄牙、日本、中国等多国科学家组成的研究团队，在《自然》（）上发表了题为“观测到关联自由中学子体系”（ofafreefour-）的文章，宣布实验发觉中学子态。在实验偏差范围内，该实验结果否认了清华-近代化学所合作团队的理论预言。
众所周知，自由中子不能常年成活，平均寿命只有15分钟左右。纯中子物质在自然界中也只能存在于中子星等极端天体环境中，例如在超新星爆发的外围，被觉得有体温约为5—10MeV的中子二氧化碳（这个能区正好与我们如今关心的中子物态有关联）。中学子态是一种十分独特的全新物质形态，它的发觉似乎会改变人们对物态基本概念的理解，为进一步研究核子间基本斥力和复杂量子关联提供一个非常宝贵的新平台。有人把中学子态戏称为“短寿命微型中子星”，为今后有关中子物态的实验研究打开了又一扇希望之门。
大概在60年前，化学学家提出了一个古怪的猜想：在月球上是否还能存在由几个中子组成的纯中子物态？科学家们首先想到的是中学子态。对纯中子态的实验侦测和理论估算都是十分困难的。实验侦测要求奇思妙想的实验思路和技术技巧、先进灵敏的实验设备。理论估算要求真实可靠的高精度核力和严格的量子多体关联处理，须要超大规模的数值估算。所以，60年来，科学工作者仍然没能敲定多中子物态是否存在这个问题。
在最初的理论研究方面，对纯中子物态的估算堪称是五花八门。有些理论研究觉得存在禁锢的多中子物质，也有理论预言存在共振的多中子体系，还有理论研究觉得不可能存在纯中子物态。实验上，60年来就像大海捞针，找寻多中子态仍然没有结果。但在2002年，俄罗斯GANIL国家实验室的一个实验虽然“看到”存在中学子态的一点蛛丝马迹，该实验觉得可能存在禁锢的中学子态（参考文献：F.M.etal.,PRC65,(2002)）。但因为侦测例子太少，检测精度太低，实验结果也没能得到重复，所以没有被认定为中学子态存在的实验例子。
曙光在2016年出现。在台湾理物理研究所（RIKEN）的一个实验中（参考文献：K.etal.,PRL116,(2016)），科学家们侦测到极有可能是中学子共振态的实验讯号，能量在0.8±1.4MeV附近，计算的共振长度≤2.6MeV。因为实验偏差太大，这个实验结果也没能被明晰认定为中学子态存在的实验证据。但这个重要实验唤起了国际上从事原子核第一性原理估算理论团队的极延庆趣。一个代表性的工作是由英国爱荷华州立学院核理论组完成的，她们在2016—2018年间，基于ab核力和无芯壳模型（NCSM）估算了中学子体系，得到的共振能量在0.8—1.0MeV区间，共振长度在1.0—1.5MeV之间，与2016年台湾RIKEN实验结果相仿。
2018—2019年间，清华-近代化学所团队合作，举办了多中子体系理论研究。考虑到多中子态应当属于一个开放的量子体系，中子与边界区域连续态耦合作用应当不可忽略，因此，她们从手征有效场论核力N3LO出发，发展了自然基无芯伽莫夫壳模型（NCGSM）。这是一种第一性原理方式，所用核力充分考虑了QCD基本对称性，所用多体方式挺好包含了连续谱耦合效应。因为使用自然基模型空间，NCGSM估算才能包含完整的量子多体关联。她们预言的中学子态约有2.6MeV的共振能量和2.3MeV的共振长度。如图1所示，这个共振能量显著低于之前的实验和其它理论结果，但为以后的实验探求提供了新的思路。2019年11月11日，相关研究成果以“多中子体系的第一性原理无芯伽莫夫壳模型估算”（Abno-coreGamowshell-modelof）为题，在线发表于《物理评论C》。上海学院化学大学2016级博士研究生李健国为论文第一作者（历任近代化学所非常研究助理），上海学院化学大学许甫荣院士为通信作者；其他合作者包括近代化学所研究员、北京学院化学大学博士后胡柏山和近代化学所左维研究员。
图1随时间进程近代物理实验，实验和理论有关中学子态的能量和共振长度
自从2016年的RIKEN实验后，科学家们仍然没有舍弃在实验中继续找寻中学子态的努力。实验上的重大突破总算出现，2022年6月22日，一篇发表在《自然》的文章宣布实验发觉中学子态。实验在美国RIKEN完成，由日本科学家团队主导，台湾、中国等多国科学家参与。该实验借助高能量8He次级束流轰击质子靶。8He是一个丰中子弱禁锢滴线核，由核芯4He和外边四个中子组成。靶质子与核芯4He发生准弹性散射，使核芯4He离开8He，留下中学子体系。这一实验以远低于5倍标准误差的统计明显性发觉了中学子态的存在。借助缺位质量谱方式获得中学子态的能量为2.37±0.38(统计偏差）±0.44（系统偏差）MeV，共振长度为1.75±0.22（统计偏差）±0.30（系统偏差）MeV，对应的共振寿命为(3.8±0.8)ⅹ10-22秒。这个实验结果完全否认了清华-近代化学所合作团队有关中学子态所处能区的理论预言，如图1所示，在实验偏差范围内理论预言与实验结果高度一致。该实验文章引用了清华-近代化学所合作团队的理论预言值，以支持她们的实验结果。
同期《自然》杂志在“新闻与观点”栏目还发表了一篇短评，作者充分肯定了实验早已形成纯中子体系这个事实，并强调进一步深入的实验研究和多体理论研究是十分必要的。清华-近代化学所合作团队发展的NCGSM是一种第一性原理核多体方式，一个共振态可以包含多种多体共振成分。假如才能基于这一理论技巧进一步了解中学子态的几何共振结构，将对深入认识中学子态具有重要意义。据悉，该团队发表于《物理评论C》（PRC100,(2019)）的理论文章还预言了三中子共振态的能量和共振长度。
该项研究工作得到国家重点研制计划、国家自然科学基金等支持。
清华-近代化学所合作团队原文链接：
《自然》实验原文链接：
供稿|上海学院技术化学系、中科院近代化学所理论化学室
编辑|孙嘉琪、刘芳