尼尔斯·玻尔提出的液滴模型认为，原子核内的中子与质子是零散存在的，呈现出如同均匀液体般的状态，但实际上，原子核似乎是多个中子和质子的团簇等结构共存的多样性存在。日本国立研究开发法人理化学研究所仁科加速器科学研究中心核反应研究部的上坂友洋部长、久保田悠树研究员，京都大学研究生院理学研究科的钱广十三副教授、辻崚太郎研究生（研究当时），大阪大学核物理研究中心的田中纯贵助教，九州大学研究生院理学研究院的绪方一介教授等人组成的国际联合研究团队证实：在碳12与氧16原子核中，由单个质子与单个中子配对聚合而成的氘核团簇，其存在概率远超以往认知。相关研究成果已发表在期刊《Progress of Theoretical and Experimental Physics》的网络版上。
理化学研究所 上坂友洋部长（供图：科学新闻）
京都大学 钱广十三副教授（供图：科学新闻）
九州大学 绪方一介教授（供图：科学新闻）
位于约百亿分之一米大小的原子中心的原子核，大小仅为千万亿分之一米，却占据了原子质量的99.97%。玻尔提出了原子核内部状态如同液体般均匀的观点，这也成为了传统的原子核认知。然而，19世纪末发现的α衰变却难以用液滴模型来解释。乔治·伽莫夫提出假说，认为原子核内部会形成α粒子，并借助量子隧穿效应向外释放，以此完成了相关原理解释。
α衰变不仅是地球上氦气的主要来源，还被应用于癌症治疗、烟雾探测器等领域。不过，α粒子在原子核内如何产生，至今尚不清楚。
此次，上述国际联合研究团队启动了“自凝项目”（Onokoro Project），通过向原子核轰击高能质子，像打达摩落那样将核内存在的粒子团块敲出，同时又不影响剩余部分，从而探测原子核内部。
敲出反应如同达摩落游戏（供图:理化学研究所）
研究团队利用大阪大学核物理研究中心的回旋加速器，向碳12和氧16轰击能量为226MeV（约为光速的60%）的质子束，并分析了被敲出的氘核和质子。向原子核轰击质子，其难度堪比朝着放置在东京巨蛋球场内的一颗弹珠投掷一粒小豆。本次研究共发射了约1000万亿个质子，其中约10万个撞击到了原子核，成功实现了约2000次“达摩落”式敲出。
结果显示，在最外层轨道中包含的氘核团簇，在碳12中占40%，在氧16中占32%。以往的原子核物理学并不认为存在如此多的氘核团簇，这一发现揭示了原子核中的非均匀性比以往认为的更为多样，且以高概率存在。上坂部长表示：“此次依托反应理论的完善进步，再加上我们精良完备的实验装置，得以精准顺利地获取到了这份研究数据”。
主导构建相关反应理论的绪方教授表示：“以往普遍认为氘核团簇结构稳定性极差，一经质子撞击便会碎裂，从而无法完成观测。因此，一旦学生在学术会议上发表相关研究观点，常会遭到领域内资深学者的质疑驳斥。足见该现象此前难以被学术界认可。于是我们在理论中加入了计算其破碎概率的方法，并在此基础上得出了未被破碎的比例数值。这也为实验结果的物理可信度提供了有力支撑”。
在自凝项目中，研究团队还成功地从钙40原子核中敲出了α团簇，并从钙同位素中敲出了氚/氦-3团簇。
上坂部长表示：“基于本次结果，我们希望将研究扩展到更接近α衰变的重原子核，以及在地球上仅瞬间存在的不稳定原子核，最终目标是观测作为α衰变种子的原子核内部α粒子，并获得与原子核基本性质相关的稳定性及反应性的全新认知”。
钱广副教授表示：“原子核内部并非均质结构本就是合乎情理的结论。因为包括人类在内的生物本身就具有多样性。在不同的层级中，或许都存在相似的规律特质。或许这是一种共通的普适性法则。如今我们终于站在了能够探寻这一法则本源的研究起点上”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Progress of Theoretical and Experimental Physics
论文：Proton-induced deuteron knockout (p,pd) on 12C and 16O at 226 MeV
DOI：10.1093/ptep/ptag046
