高纯锗伽马探测器阵列。
■本报记者 叶满山
如果把原子核比作一座微型“能量宝库”，那么“同核异能态”就是这座宝库中最特别的一种形式。它像一个被锁住的储能罐，封存着巨大能量，却偏偏难以自发释放。这种特殊的原子核激发态凭借较长的寿命和超高的能量密度，成为科学家眼中极具潜力的“能量载体”。
想象一下，要是找到“钥匙”，按需开启这个“宝库”，核电池就能实现超长续航，伽马射线激光就能精准作用于目标，甚至深空探测、电网调峰都能获得全新的能量解决方案。但几十年来，如何安全、快速地触发同核异能态的能量释放，一直是横亘在科研人员面前的难题。
中国科学院近代物理研究所研究员郭松、副研究员丁兵团队，用五六年时间瞄准钼-93的同核异能态，即钼-93m展开攻关，通过精准的实验数据揭开了能量释放的神秘面纱，澄清了学界长期存在的争议，为这座“能量宝库”找到了关键的“解锁密码”。相关论文近日发表于《物理评论快报》。
偶然结缘：一场学术争论背后的探索之旅
故事的开端，源于一次偶然的学术关注。多年前，郭松原本专注于另一项核结构研究。当时，他们对一个美国科研团队的一项物理成果提出质疑，准备撰写一篇文章。谁知南开大学教授吴远彬推荐的一篇理论文章，将他们的注意力引向了钼-93的同核异能态研究。
“本来只是想借鉴文章的写作格式，没想到看着看着就发现了问题。”郭松回忆道。这个美国团队声称在钼-93的同核异能态研究中，观测到了1%的能量释放概率，并认为这一现象源于“电子俘获致核激发（NEEC）” 机制，即电子被原子核俘获后引发能量释放。而这篇理论文章则针对这一实验成果提出了质疑——从理论计算来看，这种机制的发生概率极低，根本无法达到其声称的水平。
这一矛盾让郭松团队产生了浓厚的兴趣。他们深入研究后，发现关于钼-93m能量释放机制的争议早已存在。一派以美国实验团队为代表，认为NEEC机制是主要驱动力，激发概率可达1%；另一派则通过更微观、更严谨的理论计算，得出激发概率仅为10-11的结论。双方各执一词，谁也无法说服对方。
“虽然当时我们对这个领域的物理机制还不太熟悉，但实验方法和我们的研究是相通的。”丁兵补充道。通过仔细分析美国团队发表的实验数据，他们发现其在本底处理、数据解读等方面存在明显漏洞。基于多年的实验经验，团队判断这个争议背后一定隐藏着真相，而精准的实验验证或许能为这场争论画上句号。
就这样，一个原本为了借鉴写作格式的偶然之举，最终演变成一项持续五六年的研究。团队迅速调整方向，将钼-93的同核异能态作为研究焦点，一场跨越国界的学术探索正式启动。
在“噪声”中捕捉微弱信号的艰难征程
要解开钼-93m的能量释放之谜，首先要克服实验装置的“水土不服”。团队的实验依托兰州重离子研究装置（HIRFL）的放射性束流线（RIBLL）展开，而这条束流线原本是为中能束流设计的，能量范围在每核子70至80兆电子伏，采用“弹核碎裂”机制产生束流。但钼-93的同核异能态具有较高的角动量，这种产生方式无法满足实验需求。
“弹核碎裂就像炮弹高速飞行时撞到原子核，损失部分核子后继续前进。这种方式产生的束流角动量较低，很难形成我们需要的同核异能态。”郭松解释道。经过反复研讨，团队决定采用“熔合蒸发反应”机制，即让两个原子核低速碰撞并熔合，形成复合核后蒸发部分核子，从而布居目标核的高角动量态。但这种方式产生的能量仅为每核子五六兆电子伏，与束流线的设计初衷相差甚远，一系列难题随之而来。
第一次实验的核心目标是“探路”，团队特意选择了氪-86作为束流材料、碳12作为靶材，尽可能降低实验难度。但即便如此，挑战依然超出预期。由于束流能量过低，束流线上没有对应的监测设备，研究人员只能“盲调”——不知道束流是否存在、强度如何，完全依靠后期数据反馈判断。更棘手的是，低能束流带来的本底干扰极强，束流纯度不足1%，就像在嘈杂的人群中寻找一个微弱的声音，难度极大。
“第一天调了一整天，什么信号都没看到，心里完全没底。”对于当时的场景，丁兵仍历历在目。在焦急的等待中，他们终于在实验启动后的几个小时，观测到预期的特征衰变曲线，这才稍稍松了口气。
为了解决在束本底干扰问题，团队创新性提出了“时空分离”策略。他们利用束流传输过程中的距离和墙体阻隔，让束流在35米长的传输线中运行，天然屏蔽掉大部分反应初期产生的伽马射线本底。“我们通过时空分离，大幅提高了测量的准确度。”郭松说。
在第二次实验中，团队进一步升级方案，核心是提高束流能量和纯度。他们将束流能量提升至十几兆电子伏每核子，同时解决了高熔点材料的束流制备难题。钼-93的氧化物熔点高达三四千摄氏度，无法直接用于束流制备。团队联合中国有研科技集团有限公司，通过化学方法将其转化为熔点仅600摄氏度的氟化物，成功解决了这一关键问题。
靶材方面，团队改用氦气靶替代传统固体靶。为了提高氦气密度，需要用液氮将其冷却至低温，但氦气穿透力极强，靶体频繁漏气，研究人员每天都要反复补气，才能确保实验持续进行。
实验过程中的意外更是“家常便饭”。第二次实验初期，团队为了监测束流位置，在束流线中间加装了一个位置探测装置，没想到这个装置竟然阻挡了90%以上的束流，导致前3天完全没有获得有效数据。“我们一开始估计它只会阻挡10%的束流，没想到影响这么大。”郭松无奈地说。在紧急拆除这个装置后，实验才得以正常推进。
数据分析阶段同样充满挑战。第一次实验中，能量谱在运行六七十个小时后突然漂移，2兆电子伏以上的信号全部偏移到其他通道，团队只能手动修正刻度系数。第二次实验中，面对“似有似无”的信号峰，他们反复调整飞行时间、能量信号等参数，对比碳膜、铅膜、金膜3种不同靶材的实验结果，最终通过交叉验证锁定了关键数据——铅膜中钼-93m的能量释放概率约为十万分之二，碳膜中约为百万分之五。
这组数据与离子-离子非弹性散射的理论预测高度吻合，却远高于NEEC机制的理论预期，清晰地证明了钼-93m在固体材料中减速时，能量释放主要由离子间碰撞驱动，而非美国团队所说的NEEC机制。
澄清争议后的科学价值与未来航向
当最终的实验结果浮出水面时，团队成员如释重负。五六年的坚守、两次实验的反复验证、无数次的数据分析，他们用扎实的实验数据，为这场持续多年的学术争议画上了圆满的句号。
“我们的结果出来后，那些基于美国团队实验数据开展的理论研究，就再不需要强行提高概率去贴合实验了。”郭松介绍。此前，部分理论研究为了匹配1%的激发概率，尝试了各种方法调整模型参数，但始终无法合理解释。而团队的实验数据明确了能量释放的主要机制，为理论研究提供了可靠的参考基准。
这项研究的科学价值远不止于此。在实验层面，它改变了同核异能态研究的传统范式——此前依赖 “阻停激发”的实验思路被证实难以奏效，学界开始转向离子阱、储存环等新装置，探索在共振条件下观测NEEC现象的可能性。
在天体物理领域，该成果提供了关键的实验参数，为理解恒星内部、等离子体等极端环境中的核反应行为提供了可靠支撑。“天体环境的温度极高，原子核可能处于激发态，我们的实验数据能帮助理论学家更准确地模拟这些过程。”丁兵解释道。
在应用前景方面，虽然核电池、伽马射线激光等技术的落地仍需时日，但这项研究为相关探索指明了方向。同核异能态作为高能量密度储能载体，若能实现可控释放，将有望应用于电网调峰、深空探测等领域。“比如，在电网负荷低谷时，将多余能量用于激发同核异能态储存能量；负荷高峰时，触发能量释放补充电力。这可能是未来的一个重要应用方向。”郭松表示。不过，他强调，当前研究仍处于基础阶段，还需要进一步明确NEEC机制的发生条件和概率，才能推动技术落地。
“在投稿过程中，我们虽然收到了美国团队的20多个质疑问题，但通过详细的数据分析和严谨的论证，最终赢得了审稿人的认可。”郭松笑着说。
从偶然关注到深入攻关，从“盲调”探索到精准测量，郭松、丁兵团队用好奇心驱动探索，用协作破解难题，用坚持赢得突破。他们的研究不仅解答了一个困扰学界多年的科学疑问，更在原子核物理与原子分子物理的交叉领域开辟了新的研究方向。
未来，团队将继续聚焦等离子体环境或电子-离子对撞等新方向，在探索微观世界奥秘的道路上稳步前行，努力解锁原子核“能量宝库”的更多潜能。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/kbf5-6fcl
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