近日，德国美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)核物理研究所A1合作组与中国、日本科学家携手，在电子散射实验中首次成功产生并测量中子丰度极高的氢同位素?H(氢-6)，实验结果显示原子核内中子之间的相互作用强于预期。这一成果为研究轻的、富含中子的原子核提供了新方法，并挑战了当前对多核子相互作用的理解。

该实验在美因茨微加速器(MAMI)的光谱仪设施上进行。JGU核物理研究所的Josef Pochodzalla教授强调：“这项测量的完成得益于MAMI电子束的卓越质量与A1合作组三台高分辨率光谱仪的独特组合。”参与此次实验的研究人员来自中国上海复旦大学以及日本仙台东北大学和东京大学，实验由博士生邵天浩领导，相关成果已发表在《物理评论快报》上。

核物理学中，一个原子核能结合多少个中子和给定数量的质子是基本问题之一。对于仅含一个质子的氢同位素，除常见的氘核和氚核外，人们还观测到从?H到?H的几种富含中子的同位素。其中，极重氢同位素?H(由一个质子和五个中子组成)和?H(多一个中子)拥有已知的最高中子质子比，是解答上述问题的独特系统。然而，关于这些奇异原子核的实验数据稀缺，结果存在争议，尤其是?H基态能量高低的问题长期争论不休。

为产生氢同位素?H，A1合作组与中国、日本科学家合作开发了新方法。该方法中，能量为855兆电子伏特(MeV)的电子束撞击锂靶，通过两步过程产生氢同位素：首先，锂原子核中的一个质子因与电子相互作用而被共振激发，并迅速衰变为一个中子和一个带正电的π介子;若该中子随后将能量转移给原子核内的另一个质子，就能与残余原子核一起形成富含中子的氢同位素?H，而π介子和质子则离开原子核，与散射电子一起被三台磁谱仪同时探测到。

为达到这一罕见工艺的足够生产率，电子束沿45毫米长的一侧穿过一块45毫米长、0.75毫米厚的锂板，这与通常使用沿光束轴方向非常薄的靶材、电子束撞击与其传播方向垂直的宽阔表面的电子散射实验常规做法不同。这种特殊装置得益于MAMI卓越的光束质量，尤其是高度聚焦和稳定的电子束。同时，处理锂材料也是一大挑战，因其具有高度化学反应性、机械易碎性且对温度敏感。

在为期四周的测量活动中，每天大约观察到一次相关事件。这是MAMI罕见的实验之一，A1实验大厅中的三台高分辨率光谱仪同时以巧合模式运行，可同时探测到三个粒子。这种复杂装置实现了前所未有的精度，同时保持了极低的背景噪声。

新的测量结果提供了基态能量极低的?H的清晰信号，表明6H中中子之间的相互作用比近期理论计算的预期更强，这一结果挑战了我们对中子丰度极高系统中多核子相互作用的理解。

该实验由德国研究基金会(DFG)资助，作为中国国家重点研发计划的一部分，并获得欧盟“地平线2020”研究与创新资助计划的资助，中国国家自然科学基金委员会和日本学术振兴会(JSPS)也提供了进一步支持。