宇宙受四種基本力的支配，它們決定了粒子之間的相互作用，並塑造了我們所知的世界。這些力包括電磁力、重力、弱核力和強核力。這些基本力作用於從最微小的原子到宇宙中最大的星系的一切。阿貢國家實驗室和北卡羅來納大學教堂山分校最近的一項研究使研究人員更接近於理解強核力，這是基本力中最神秘的一種。

強核力是自然界的四種基本力之一，負責將原子核中的質子和中子固定在一起。它是一種非常短程的力，比其他基本力（如電磁力）強得多。

他們的工作建立在原子結構的基礎理論之上，這些理論源於阿貢物理學家和諾貝爾獎獲得者瑪麗亞-戈珀特-邁爾在20世紀60年代早期的研究。她幫助開發了一個核子結構的數學模型。她的模型解釋了為什麼原子核中一定數量的質子和中子會導致它極其穩定–這一現像在一段時間內讓科學家感到困惑。

鎳-64原子核能量狀態，當被激發到更高的能量狀態時，鎳-64核可以將其形狀從球形變為扁形或凸形，如該圖所示。資料來源：密歇根州立大學/Erin O’Donnell

研究小組之前進行了類似的實驗來研究強核力，研究當核子通過核反應產生激發態時，核子的結構會如何變化。這些以及在其他地方進行的其他實驗促使他們研究鎳-64，它有64個中子和質子。這種核是最重的穩定鎳核，有28個質子和36個中子。這種鎳同位素的特性使其結構在被激發到更高能量狀態時發生變化。

在他們的實驗中，該團隊使用阿貢串聯林納加速器系統（DOE科學辦公室的一個用戶設施）將鎳-64核樣品加速到鉛靶上。鉛原子能夠通過鉛的質子和鎳的質子之間的排斥力產生的電磁力激發鎳-64核。

這個過程看起來類似於將一袋爆米花放入微波爐。隨著爆米花粒的升溫，它們開始爆成各種不同的形狀和大小。從微波爐裡出來的爆米花與進去的不一樣，關鍵是，由於施加在它們身上的能量，這些內核改變了它們的形狀。

在鎳-64核被激發後，一個名為GRETINA的儀器檢測到了核衰變回其基態時釋放的伽馬射線。另一個名為CHICO2的探測器確定了參與相互作用的粒子的方向。探測器獲得的數據使研究小組能夠確定鎳-64被激發時的形狀。

從對數據的分析中，研究人員得出結論，通過與鉛的相互作用激發的鎳-64核也改變了它們的形狀，但是，鎳的球形原子核並不會像爆米花那樣變得蓬鬆，而是根據施加在它身上的能量大小，變成了兩種形狀之一：扁形、門把手或者凸形乃至像足球的，這一發現對於像鎳-64這樣由許多質子和中子組成的重核來說是不尋常的。

“一個模型是現實的寫照，只有當它能夠解釋之前的已知情況，並且具有一定的預測能力時，它才是一個有效的模型，”UNC-Chapel Hill的教授和該論文的共同作者Robert Janssens說。”我們正在研究核子的性質和行為，以不斷改進我們目前的強核力模型。”

最終，研究人員希望他們在鎳-64和周圍核子中的發現能夠為核科學領域未來的實際發現奠定基礎，如核能、天體物理學和醫學。”今天醫院裡50%以上的醫療程序涉及核同位素，”Janssens說。”而這些同位素大多是在做像我們這樣的基礎研究時發現的。”