近日，复旦大学马余刚院士团队与德国美因茨大学核物理研究所的MAMI-A1实验组合作，在对极端丰中子氢同位素的实验研究中取得重要进展，研究成果以“Measurement of ⁶H Ground State Energy in an Electron Scattering Experiment at MAMI-A1”为题发表在物理学顶级刊物《物理评论快报》（https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.134.162501）上。

一个原子核里最多可以存在多少个中子？这是核物理学中的一个基本问题。回答这个问题有助于人们进一步理解原子核的形成原理以及核子之间的相互作用。对于最简单的元素——氢元素，它的极端丰中子同位素——氢6和氢7有着目前人类已知的最大的中子数和质子数之比，是研究这个问题的理想平台。然而，由于它们的存在很不稳定，在实验上很难合成，对于它们的实验和理论研究仍然十分稀少。特别是氢6，以往的实验和理论结果明显地分成了两派，分别支持氢6的基态能量应该较小或者较大，对应着中子之间的相互作用的较强或者较弱。

图一：MAMI-A1实验的探测器装置以及该实验的原理示意图。

在本研究中，A1合作组提出了实验合成氢6的新方法。使用美因茨加速器MAMI产生的能量为855 MeV的电子束流打锂7靶，氢6可以在⁷Li(e, e’pπ⁺)⁶H反应中产生。使用A1实验室中的三个高精度磁谱仪探测器分别测量散射电子、产生的质子以及π⁺的动量，再结合三个探测器之间的三重符合信号即可反推出氢6的质量谱。如图二的左图所示，该实验得到了清晰的氢6基态的信号，这是历史上首次在电子束流打靶实验中合成氢6原子核，并测量得到氢6的基态能量为2.3 ± 0.5(stat.) ± 0.4(syst.) MeV/c²，宽度为1.9 ± 1.0(stat.) ± 0.4(syst.) MeV。图二的右图展示了与其它实验测量和理论计算结果的对比，可以看到该实验结果远小于2022年最新的实验测量和理论计算结果，新的测量与中国科学院近代物理研究所团队在2021年的理论计算相近，支持氢6的基态能量和宽度应该较小，说明氢6中的中子之间的相互作用可能比人们预期中的更强。这一成果对原子核结构理论提出了新的挑战，同时为基于电子束流散射实验合成丰中子原子核提供了新的实验方法。

图二：（左）本实验中得到的氢6基态的信号。（右）本实验测量到的氢6基态能量和宽度与其它实验（红色空心标记）和理论计算（蓝色虚线和标记）的对比。

该实验工作由复旦大学博士研究生邵天浩主导完成，他是该论文的第一作者，复旦大学陈金辉研究员和德国美因茨大学Josef Pochodzalla教授为该论文的通讯作者。此外，德国美因茨大学的A1实验团队以及日本东京大学、东北大学的Nagao Sho、Satoshi N. Nakamura教授及其学生也对实验做出了重要贡献。

该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部引智基地等项目资助。