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(bào)見(jiàn)習(xí)記者 葉滿山

給原子核稱體重有多難？

首先，要擁有一個(gè)原子核。在實(shí)驗(yàn)里，在重離子加速器的幫助下，花費(fèi)1個(gè)星期，幾萬(wàn)億個(gè)穩(wěn)定原子核沖向反應(yīng)靶，才能產(chǎn)生幾十個(gè)目標(biāo)原子核。

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

再次，對(duì)于壽命很短的原子核，測(cè)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(cè)量。

給原子核稱體重有多重要？

精確測(cè)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(xué)元素起源的基礎(chǔ)。

在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)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(cè)量團(tuán)隊(duì)基于國(guó)際首創(chuàng)的“超級(jí)天平”，成功測(cè)量了12個(gè)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(jī)。近日，相關(guān)研究成果分別發(fā)表于《自然-物理》和《物理評(píng)論快報(bào)》。

團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家

近代物理所原子核質(zhì)量測(cè)量團(tuán)隊(duì)有20余人，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)離不開(kāi)首席科學(xué)家張玉虎的“招兵買馬”。

張玉虎今年61歲，是團(tuán)隊(duì)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(lái)，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(jìn)行原子核質(zhì)量測(cè)量。

“我們將帶電的離子放進(jìn)加速器中，離子在高速運(yùn)動(dòng)中與其他原子核進(jìn)行碰撞，產(chǎn)生壽命非常短的原子核。”張玉虎告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

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

“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(jìn)人才，同時(shí)高度重視人才的儲(chǔ)備和培養(yǎng)。通過(guò)多年努力，團(tuán)隊(duì)成員逐步擴(kuò)充。

團(tuán)隊(duì)的問(wèn)題解決了，另一個(gè)難題是實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

蘭州重離子加速器是開(kāi)放的大科學(xué)裝置，每年申請(qǐng)前來(lái)做實(shí)驗(yàn)的科研人員較多，機(jī)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)激烈。每次實(shí)驗(yàn)需要100至200小時(shí)，所以有時(shí)團(tuán)隊(duì)一年只有一次寶貴的機(jī)會(huì)，成員們都倍加珍惜。

有了實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，還有一個(gè)難題是用什么樣的稱重工具。“原子核質(zhì)量可以通過(guò)多種方法進(jìn)行測(cè)量，包括直接測(cè)量和間接測(cè)量。儲(chǔ)存環(huán)質(zhì)譜術(shù)就屬于直接測(cè)量方法。”張玉虎說(shuō)，但是傳統(tǒng)的儲(chǔ)存環(huán)質(zhì)譜術(shù)的質(zhì)量分辨能力不夠，實(shí)驗(yàn)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(guó)際首創(chuàng)的新型質(zhì)譜術(shù)，用這個(gè)‘超級(jí)天平’得到了測(cè)量難度很高的短壽命原子核的質(zhì)量。”

“超級(jí)天平”的成功運(yùn)行，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員的付出，尤其是團(tuán)隊(duì)現(xiàn)任負(fù)責(zé)人——近代物理所儲(chǔ)存環(huán)核物理室主任、研究員王猛。

“超級(jí)天平”負(fù)責(zé)人

王猛的辦公室里有一張核素圖，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shuō)，團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)工作就是測(cè)量這些壽命非常短的放射性核素。

團(tuán)隊(duì)所測(cè)量的原子核的壽命大概為100毫秒，可以說(shuō)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(jí)天平”至關(guān)重要。

目前，世界上有3臺(tái)同類型的“天平”——重離子儲(chǔ)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(shí)性質(zhì)譜術(shù)。“儲(chǔ)存環(huán)中只有少部分離子滿足等時(shí)性條件。傳統(tǒng)的方法只能測(cè)量離子的飛行時(shí)間，對(duì)于等時(shí)性窗口外的離子測(cè)量精度低，甚至還可能存在系統(tǒng)誤差。”王猛說(shuō)。

為此，團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)展了新一代的儲(chǔ)存環(huán)質(zhì)譜術(shù)。他們?cè)趦?chǔ)存環(huán)上新增了兩個(gè)飛行時(shí)間探測(cè)器，原子核在這兩個(gè)探測(cè)器上都產(chǎn)生信號(hào)，由此可以精確獲得每個(gè)離子的磁剛度和軌道長(zhǎng)度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

“原理說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，技術(shù)上存在很多困難。團(tuán)隊(duì)花了近10年時(shí)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(chǔ)存環(huán)對(duì)所有離子的分辨能力都得到了大幅提高，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，降低了質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差。”王猛表示。

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

善于解決問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)師

有了“超級(jí)天平”，敲定了實(shí)驗(yàn)方案，接下來(lái)就是解決具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題。比如，如何排除系統(tǒng)誤差，提高測(cè)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(wàn)。如果把儲(chǔ)存環(huán)中飛行的原子核比喻成空客A380，那么我們的測(cè)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(gè)排球。”近代物理所儲(chǔ)存環(huán)核物理室副主任、副研究員顏鑫亮告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“百萬(wàn)分之一這種高精度的質(zhì)量測(cè)量，對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定性要求也是同等量級(jí)的。”顏鑫亮負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在早期的實(shí)驗(yàn)中，由于裝置的磁場(chǎng)不穩(wěn)定，他發(fā)現(xiàn)測(cè)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(lái)很大的困難和出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

“數(shù)據(jù)分析只能部分降低磁場(chǎng)不穩(wěn)定性的影響。為了從根本上解決這個(gè)問(wèn)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(shí)間，才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵是用了10年的電源已經(jīng)嚴(yán)重老化。”顏鑫亮說(shuō)。

2017年，在更換新電源和改造電磁環(huán)境之后，團(tuán)隊(duì)順利完成了新型質(zhì)譜術(shù)實(shí)驗(yàn)。2021年，團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)制約磁場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素——冷卻水的溫度。

“這兩個(gè)最大的制約因素都已被我們發(fā)現(xiàn)，在下一代儲(chǔ)存環(huán)建設(shè)中，我們就會(huì)避免出現(xiàn)這類問(wèn)題。”顏鑫亮表示，經(jīng)過(guò)多年的歷練，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)形成了反復(fù)細(xì)摳問(wèn)題的工作作風(fēng)。

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(cè)量裝置的參數(shù)，等待炮彈擊中目標(biāo)，產(chǎn)生的碎片就是需要測(cè)量的目標(biāo)離子。

“這個(gè)過(guò)程就像捕魚一樣，提前布置好漁網(wǎng)，耐心等待魚兒進(jìn)網(wǎng)。”顏鑫亮說(shuō)，測(cè)試儀器中的碳膜像漁網(wǎng)一樣，每次離子穿過(guò)之后，都有一定概率產(chǎn)生信號(hào)。離子在儲(chǔ)存環(huán)中飛行400圈左右，測(cè)量就結(jié)束了。

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

不服輸?shù)臄?shù)據(jù)分析程序師

周旭，一個(gè)酷愛(ài)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?yàn)闊釔?ài)，每年他都會(huì)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(tuán)隊(duì)。實(shí)驗(yàn)方案敲定后，就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)程序開(kāi)發(fā)階段。但是原有程序“跑”起來(lái)較慢，于是周旭決定改變程序中一個(gè)模塊。

“由于循環(huán)周期未知，搜尋每個(gè)離子時(shí)都要將1.8萬(wàn)個(gè)可能的周期逐一嘗試一遍。我設(shè)計(jì)的模塊能預(yù)先對(duì)這些周期進(jìn)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(shí)間探測(cè)器到雙飛行時(shí)間探測(cè)器，程序的編寫也是慢慢積累的。原有程序已經(jīng)不適應(yīng)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(shuō)：“每次做PPT都需要將實(shí)驗(yàn)配圖畫出來(lái)，單PPT我就制作了1300張。”周旭坦言，因?yàn)樽约夯�本功欠缺，畫�?shí)驗(yàn)配圖非常費(fèi)勁。但是張玉虎要求很嚴(yán)格，基本上是一張圖、一張圖地指出錯(cuò)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(tuán)隊(duì)里老師、師兄師姐的幫助，他才能進(jìn)一步提高程序運(yùn)算速度，少走了幾年的彎路。

在34960次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)注入后，內(nèi)含離子數(shù)達(dá)到了812413個(gè)。面對(duì)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(duì)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(jiǎn)單，就是不想丟數(shù)據(jù)，因?yàn)槊恳粋�(gè)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(gè)小時(shí)。終于，他將所有離子都驗(yàn)證成功，為這次新型質(zhì)譜術(shù)的測(cè)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(cè)量團(tuán)隊(duì)測(cè)量了12個(gè)高精度短壽命原子核，其中6個(gè)是未知的短壽命原子核，另外6個(gè)是重新測(cè)量的原子核，得到了更精確的數(shù)據(jù)。目前，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)出的原子核有3340多個(gè)，質(zhì)量未知的還有790多個(gè)。“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(lái)我們還將繼續(xù)探究核物理的前沿科學(xué)問(wèn)題，為推動(dòng)我國(guó)核物理研究作出自己的貢獻(xiàn)。”王猛說(shuō)。