宇宙受四种基本力的支配，它们决定了粒子之间的相互作用，并塑造了我们所知的世界。这些力包括电磁力、重力、弱核力和强核力。这些基本力作用于从最微小的原子到宇宙中最大的星系的一切。阿贡国家实验室和北卡罗来纳大学教堂山分校最近的一项研究使研究人员更接近于理解强核力，这是基本力中最神秘的一种。
强核力是自然界的四种基本力之一，负责将原子核中的质子和中子固定在一起。它是一种非常短程的力，比其他基本力（如电磁力）强得多。
他们的工作建立在原子结构的基础理论之上，这些理论源于阿贡物理学家和诺贝尔奖获得者玛丽亚-戈珀特-迈尔在20世纪60年代早期的研究。她帮助开发了一个核子结构的数学模型。她的模型解释了为什么原子核中一定数量的质子和中子会导致它极其稳定--这一现象在一段时间内让科学家感到困惑。
镍-64原子核能量状态，当被激发到更高的能量状态时，镍-64核可以将其形状从球形变为扁形或凸形，如该图所示。资料来源：密歇根州立大学/Erin O'Donnell
研究小组之前进行了类似的实验来研究强核力，研究当核子通过核反应产生激发态时，核子的结构会如何变化。这些以及在其他地方进行的其他实验促使他们研究镍-64，它有64个中子和质子。这种核是最重的稳定镍核，有28个质子和36个中子。这种镍同位素的特性使其结构在被激发到更高能量状态时发生变化。
在他们的实验中，该团队使用阿贡串联林纳加速器系统（DOE科学办公室的一个用户设施）将镍-64核样品加速到铅靶上。铅原子能够通过铅的质子和镍的质子之间的排斥力产生的电磁力激发镍-64核。
这个过程看起来类似于将一袋爆米花放入微波炉。随着爆米花粒的升温，它们开始爆成各种不同的形状和大小。从微波炉里出来的爆米花与进去的不一样，关键是，由于施加在它们身上的能量，这些内核改变了它们的形状。
在镍-64核被激发后，一个名为GRETINA的仪器检测到了核衰变回其基态时释放的伽马射线。另一个名为CHICO2的探测器确定了参与相互作用的粒子的方向。探测器获得的数据使研究小组能够确定镍-64被激发时的形状。
从对数据的分析中，研究人员得出结论，通过与铅的相互作用激发的镍-64核也改变了它们的形状，但是，镍的球形原子核并不会像爆米花那样变得蓬松，而是根据施加在它身上的能量大小，变成了两种形状之一：扁形、门把手或者凸形乃至像足球的，这一发现对于像镍-64这样由许多质子和中子组成的重核来说是不寻常的。
"一个模型是现实的写照，只有当它能够解释之前的已知情况，并且具有一定的预测能力时，它才是一个有效的模型，"UNC-Chapel Hill的教授和该论文的共同作者Robert Janssens说。"我们正在研究核子的性质和行为，以不断改进我们目前的强核力模型。"
最终，研究人员希望他们在镍-64和周围核子中的发现能够为核科学领域未来的实际发现奠定基础，如核能、天体物理学和医学。"今天医院里50%以上的医疗程序涉及核同位素，"Janssens说。"而这些同位素大多是在做像我们这样的基础研究时发现的。"