现在，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家领导的一个国际团队已经复制了这种被称为镁-40的奇特系统，并收集了有关其核结构的新的令人惊讶的线索。

伯克利实验室核科学部的科学家Heather Crawford说:“镁-40处于一个交叉路口，关于它到底是什么样子的问题很多。”Heather Crawford是这项研究的主要作者，该研究于2月7日在《科学》杂志上发表物理评论快报日报》。“这是一种非常奇特的物种。”

原子核中质子(带正电荷)的数量决定了元素的原子序数——它在元素周期表中的位置——中子(不带电荷)的数量可以不同。在自然界中发现的最常见、最稳定的镁原子有12个质子、12个中子和12个电子(带负电荷)。

具有不同中子数的同一元素的原子称为同位素。研究人员研究的镁-40 (Mg-40)同位素有28个中子，这可能是镁原子的最大中子。对于给定的元素，原子核中的最大中子数被称为“中子滴线”——如果你试图在原子核已经达到容量时再增加一个中子，多余的中子会立即“滴”出原子核。

克劳福德说:“它的中子非常丰富。“目前尚不清楚Mg-40是否在滴注线上，但肯定非常接近。这是目前在滴注管线附近可以达到的最重的同位素之一。”

核物理学家对水滴线附近原子核的形状和结构特别感兴趣，因为它可以告诉他们原子核在极端情况下的行为。

“当你如此接近水滴线时，我们脑海中一直存在一个有趣的问题:‘中子和质子的排列方式会改变吗?’”伯克利实验室核科学部的资深科学家、该研究的合著者保罗·法伦(Paul Fallon)说。“核物理领域的主要目标之一是了解从元素的原子核一直到滴油管的结构。”

他说，这样一个基本的理解可以为爆炸过程提供理论依据，比如在恒星合并和爆炸中产生重元素。

这项研究是基于日本放射性同位素束流工厂(RIBF)的实验，该工厂位于日本Wako的RIKEN西那加速器科学中心。研究人员将三个回旋加速器(一种由伯克利实验室创始人欧内斯特·劳伦斯于1931年首先开发的粒子加速器)的功率结合起来，产生了以约60%光速行进的高能粒子束。

研究小组使用一束强大的钙-48，这是一种钙的稳定同位素，具有神奇数量的质子(20)和中子(28)，来撞击一个几毫米厚的碳旋转盘。

一些钙-48核与碳核碰撞，在某些情况下产生了铝的同位素，即铝-41。核物理实验分离出这些铝-41原子，然后引导它们撞击一厘米厚的塑料(CH2)目标。与这个次级目标的撞击使一个质子从一些铝-41原子核中分离出来，形成了Mg-40原子核。

第二个目标被一个伽马射线探测器所包围，研究人员能够根据在束靶相互作用中发射的伽马射线的测量来研究Mg-40的激发态。

除了Mg-40，测量还捕获了其他镁同位素的激发态能量，包括Mg-36和Mg-38。

克劳福德说:“大多数模型都认为Mg-40应该与较轻的同位素非常相似。”但事实并非如此。当我们看到一些看起来非常不同的东西时，那么新理论的挑战就是要捕捉所有这些。”

由于现在的理论与实验中看到的不一致，需要新的计算来解释与Mg-38和其他同位素相比，Mg-40原子核结构的变化。

法伦说，许多计算表明，Mg-40的原子核非常变形，可能是足球形状，所以Mg-40中增加的两个中子可能在核心周围嗡嗡作响，形成所谓的晕核，而不是被合并成邻近镁同位素所显示的形状。

他说:“我们推测了一些物理现象，但这必须通过更详细的计算来证实。”

克劳福德说，对Mg-40的额外测量和理论工作，以及附近的同位素可以帮助确定Mg-40核的形状，并解释是什么导致了核结构的变化。

研究人员指出，正在密歇根州立大学建设的美国能源部科学用户办公室新设施——稀有同位素束核物理设施，与伯克利实验室正在建造的伽马射线能量跟踪阵列(GRETA)相结合，将使进一步研究核滴线附近的其他元素成为可能。