物理学院许甫荣团队与合作者有关四中子态能量和共振宽度的理论预言被实验证实

众所周知，自由中子不能长期成活，平均寿命只有15分钟左右。纯中子物质在自然界中也只能存在于中子星等极端天体环境中，比如在超新星爆发的外围，被认为有温度约为5—10 MeV的中子气体（这个能区刚好与我们现在关心的中子物态有关联）。四中子态是一种非常奇特的全新物质形态，它的发现也许会改变人们对物态基本概念的理解，为进一步研究核子间基本作用力和复杂量子关联提供一个极其宝贵的新平台。有人把四中子态戏称为“短寿命微型中子星”，为今后有关中子物态的实验研究打开了又一扇希望之门。

大约在60年前，物理学家提出了一个奇特的猜测：在地球上是否能够存在由几个中子组成的纯中子物态？科学家们首先想到的是四中子态。对纯中子态的实验探测和理论计算都是极其困难的。实验探测要求奇思妙想的实验思路和技术方法、先进灵敏的实验设备。理论计算要求真实可靠的高精度核力和严格的量子多体关联处理，需要超大规模的数值计算。所以，60年来科学工作者一直没能敲定多中子物态是否存在这个问题。

在最初的理论研究方面，对纯中子物态的计算可谓是五花八门。有些理论研究认为存在束缚的多中子物质，也有理论预言存在共振的多中子体系，还有理论研究认为不可能存在纯中子物态。实验上，60年来犹如大海捞针，寻找多中子态一直没有结果。但在2002年，法国GANIL国家实验室的一个实验似乎“看到”存在四中子态的一点蛛丝马迹，该实验认为可能存在束缚的四中子态【参考文献F.M. Marqueset al., pRC65, 044006（2002)】。但由于探测事例太少，测量精度太低，实验结果也没能得到重复，所以没有被认定为四中子态存在的实验事例。

曙光在2016年出现，在日本理化学研究所（RIKEN）的一个实验中【参考文献K. Kisamori et al., pRL116, 052501 (2016)】，科学家们探测到极有可能是四中子共振态的实验信号，能量在0.8±1.4 MeV附近，估算的共振宽度≤2.6 MeV。由于实验误差太大，这个实验结果也没能被明确认定为四中子态存在的实验证据。但这个重要实验激起了国际上从事原子核第一性原理计算理论团队的极大兴趣。一个代表性的工作是由美国爱荷华州立大学核理论组完成的，他们在2016—2018年间，基于ab initio核力和无芯壳模型（NCSM）计算了四中子体系，得到的共振能量在0.8—1.0 MeV区间，共振宽度在1.0—1.5 MeV之间，与2016年日本RIKEN实验结果相近（见图1）。

图1 随时间进程，实验和理论的有关四中子态的能量和共振宽度

2018—2019年间，北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室许甫荣教授团队与中国科学院近代物理研究所左维研究员团队合作，开展了多中子体系理论研究。考虑到多中子态应该属于一个开放的量子体系，中子与边界区域连续态耦合作用应该不可忽视，为此，他们从手征有效场论核力N3LO出发，发展了自然基无芯伽莫夫壳模型（NCGSM）。这是一种第一性原理方法，所用核力充分考虑了QCD基本对称性，所用多体方法很好包含了连续谱耦合效应。由于使用自然基模型空间，NCGSM计算能够包含完整的量子多体关联。他们预言的四中子态约有2.6 MeV的共振能量和2.3 MeV的共振宽度。如图1所示，这个共振能量明显高于之前的实验和其它理论结果，但为之后的实验探索提供了新的思路。2019年11月11日，相关研究成果以“多中子体系的第一性原理无芯伽莫夫壳模型计算”（Ab initio no-core Gamow shell-model calculations of multineutron systems）为题，在线发表于《物理评论C》（physical Review C）。北京大学物理学院2021届博士毕业生李健国为论文第一作者，许甫荣为通讯作者；其他合作者包括中国科学院近代物理研究所Nicolas Michel研究员、北京大学物理学院博士后胡柏山和中国科学院近代物理研究所左维研究员。

自从2016年的RIKEN实验后，科学家们一直没有放弃实验继续寻找四中子态的努力。实验上的重大突破终于出现，2022年6月22日一篇发表在《自然》（Nature）的文章宣布实验发现四中子态。实验在日本RIKEN完成，由德国科学家团队主导，多国科学家参与，其中包括北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室杨再宏研究员和叶沿林教授团队的三名博士研究生。该实验利用高能量8He次级束流轰击质子靶。8He是一个丰中子弱束缚滴线核，由核芯4He和外面四个中子组成。靶质子与核芯4He发生准弹性散射，使核芯4He离开8He，留下四中子体系。这一实验以远高于5倍标准偏差的统计显著性发现了四中子态的存在。利用缺失质量谱方法获得四中子态的能量为2.37±0.38 (统计误差）±0.44（系统误差）MeV，共振宽度为1.75±0.22（统计误差）±0.30（系统误差）MeV，对应的共振寿命为(3.8±0.8)ⅹ10-22秒。这个实验结果完全证实了许甫荣与左维合作团队有关四中子态所处能区的理论预言，如图1所示，在实验误差范围内理论预言与实验结果高度一致。该实验文章引用了许甫荣合作团队的理论预言值，以支持他们的实验结果。

同期《自然》杂志在“新闻与观点”（News & views）栏目还发表了一篇短评，作者充分肯定了实验已经产生纯中子体系这个事实，并指出进一步深入的实验研究和多体理论研究是非常必要的。许甫荣合作团队发展的NCGSM是一种第一性原理核多体方法，一个共振态可以包含多种多体共振成份，如果能进一步了解四中子态的几何共振结构将是非常有意义的。许甫荣合作团队发表于《物理评论C》【pRC 100, 054313 (2019)】的理论文章还预言了三中子共振态的能量和共振宽度。

该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持。

《自然》实验原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6