近日，顶尖综合类期刊《科学通报》【Science Bulletin 71, 1270-1272 (2026)】以简讯(Short Communication)刊发了上海交通大学物理与天文学院陈列文课题组与合作者题为“Evidence for strong isovector nuclear spin-orbit interaction”的研究论文。该研究基于对208Pb和48Ca宇称破缺电子散射实验结果的系统分析，给出了原子核中存在强同位旋矢量自旋-轨道相互作用的证据，为理解“铅半径-钙半径疑难”(“PREX-CREX puzzle”)以及丰中子核中出现的新幻数提供了新的物理机制。
研究内容
核子的自旋-轨道相互作用为理解原子核的幻数和壳演化提供了关键机制，是现代原子核理论的基石之一，迈耶和延森因此获得1963年诺贝尔物理学奖。由于原子核由中子和质子组成，中子与质子所感受到的自旋-轨道相互作用可能并不完全相同，即存在同位旋矢量自旋-轨道(IVSO)相互作用。长期以来，由于缺乏直接而可靠的实验探针，人们对同位旋矢量自旋-轨道相互作用的认识仍然很不清楚。尤其，在传统原子核能量密度泛函理论中，同位旋矢量自旋-轨道相互作用通常被认为很弱。
近年来，美国杰斐逊实验室(JLab)的PREX-II和CREX实验分别对208Pb和48Ca进行了宇称破缺电子散射测量，模型无关地确定了这两个原子核的电-弱形状因子差。由于电-弱形状因子差与原子核中子皮厚度及核物质对称能的密度依赖密切相关，同时宇称破缺电子散射过程测量避免了传统方法中涉及的强相互作用的模型依赖，PREX-II和CREX实验结果原本被认为将为核结构研究和核物质状态方程提供重要约束。然而，大量现代原子核能量密度泛函却难以在实验误差范围内同时解释这两项结果，这一现象被称为“PREX-CREX puzzle”，暗示现有理论框架中可能缺少关键物理机制。
图1：208Pb和48Ca的电-弱形状因子差。本工作构建的eS53、eS250和eS500T密度泛函与其它相对论和非相对论能量密度泛函的预言，以及PREX-II和CREX联合概率区域的比较
图2：氧、钙同位素的双中子壳能隙。强IVSO相互作用参数eS250与弱IVSO参数eS53、实验数据及其他Skyrme泛函结果的比较
该研究表明，由于原子核的自旋-轨道结构差异，48Ca的电-弱形状因子差非常敏感于同位旋矢量自旋-轨道相互作用的强度，而208Pb的电-弱形状因子差几乎与同位旋矢量自旋-轨道相互作用无关。特别地，若引入比传统Skyrme能量密度泛函强约4倍的同位旋矢量自旋-轨道相互作用，则可以在保持原子核质量、电荷半径、自旋-轨道劈裂、巨单极共振、电偶极极化率等整体性质良好描述的同时，成功解释PREX-II和CREX实验结果。因此，该研究结果表明较强的同位旋矢量自旋-轨道相互作用很可能是理解PREX-CREX puzzle的关键物理因素。
进一步研究发现，强同位旋矢量自旋-轨道相互作用还会显著影响丰中子核的壳演化，可自然产生实验上观测到的氧、钙丰中子同位素中的N=14、16、32和34等新幻数。同时，引入强同位旋矢量自旋-轨道相互作用后，由PREX-II和CREX实验结果得到的核物质对称能的密度斜率参数也与世界平均值趋于一致，这为通过PREX-II和CREX等弱电探针来准确约束核物质的对称能扫清了障碍，对原子核中子密度分布的确定以及中子星物理的研究有重要参考价值。这些研究结果表明，强同位旋矢量自旋-轨道相互作用不仅有助于理解原子核的宇称破缺电子散射实验结果、原子核中子皮和壳结构演化，同时也可以为中子星和超新星及其引发的引力波、弱相互作用核过程甚至暗物质的直接探测等基础科学问题提供更可靠的核物理输入。
该项工作的论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院博士后 岳侗钢 (上海交通大学物理与天文学院2016级本科生，2020级直博生，曾入选首届“李政道博士生”)，通讯作者为上海交通大学物理与天文学院陈列文教授 和中山大学中法核工程与技术学院张振副教授。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、科技部SKA专项以及上海市科委项目的支持。
