科学家们使用精确的激光测量法，量化了硅同位素的核半径，从而改进了核理论，并加深了对中子星物质的理解。

这些发现对核物理学和天体物理学都有重大贡献，为人们对致密宇宙天体的结构提供了深入了解。

同位素位移和核半径测量

向原子核中添加或移除中子会导致原子核大小的改变。这反过来又会导致原子电子能级的微小变化，这种变化被称为同位素位移。科学家可以利用对这些能量位移的精确测量来测量同位素原子核的半径。

在这项研究中，科学家使用激光辅助测量了稳定硅同位素硅-28、硅-29和硅-30的原子核半径。他们还测量了不稳定硅-32原子核的半径，该原子核包含14个质子和18个中子。研究人员利用硅-32原子核与其镜像原子核氩-32（包含18个质子和14个中子）之间的半径差，为有助于描述中子星等天体物理学对象物理学的变量设置了限制。这些结果是发展核理论、研究原子核及其组成部分的重要一步。

核理论中的挑战与进展

尽管核理论取得了进展，但科学家在理解原子核方面仍面临长期存在的挑战。例如，研究人员尚未将原子核大小的描述与强核力的基本理论联系起来。此外，目前尚不清楚描述有限原子核的核理论是否能够对核物质进行可靠描述。这种特殊的物质形态由相互作用的质子和中子组成。核物质包括极端条件下的物质，如中子星。对电荷半径（即原子核的半径）的精确测量有助于解决这些未解之谜。

同位素测量的精确技术

研究人员在密歇根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）的束流冷却和激光光谱仪（BECOLA）上，使用激光光谱仪测量原子同位素位移来测量不同硅同位素的核半径。他们对稳定的硅同位素硅-28、硅-29和硅-30，以及具有14个质子和18个中子的不稳定硅-32进行了测量。

对核理论和天体物理学的启示

这些结果为核理论的发展提供了重要的基准。硅-32原子核与其镜像核氩-32（有18个质子和14个中子）之间的电荷半径差异被用来约束描述中子星内密集中子物质特性所需的参数。所获得的结果与引力波观测和其他补充观测量的约束条件相符。

参考文献：“硅同位素的核电荷半径”作者：克里斯蒂安·科尼格、朱利安·C·贝伦古特、阿纳斯塔西娅·鲍尔舍夫斯基、亚历克斯·布林森、B·亚历克斯·布朗、亚当·多克里、塞尔达尔·埃尔哈提萨里、以法莲·埃利亚夫、罗纳德·F·加西亚·鲁伊斯、杰森·D·霍尔特、白山·胡、乔纳斯·卡尔泰因、迪恩·李、元卓·马、乌尔夫-G·迈斯纳、基·米纳米索诺、亚历山大·V·奥列伊尼琴科、斯基·V·皮内达、谢尔盖·D·普罗斯尼亚克、马滕·L·赖茨马、列昂尼德·V·斯克里普尼科夫、亚当·弗农和安德烈·扎伊采夫斯基，2024年4月16日，《物理评论快报》。DOI：10.1103/PhysRevLett.132.162502

这项工作部分得到了能源部科学办公室、核物理办公室SciDAC-5 NUCLEI合作办公室以及美国国家科学基金会的支持。