四中子态是一種非常奇特的全新物質形态，相當于Z=0的物質，受到物理學界非常大的關注。2019年11月11日，beat365官方网站、核物理與核技術國家重點實驗室許甫榮教授團隊與合作者在《物理評論C》（Physical Review C）上在線發表了題為“多中子體系的第一性原理無芯伽莫夫殼模型計算”（Ab initio no-core Gamow shell-model calculations of multineutron systems）的文章，理論預言了四中子态的共振能量和共振寬度。2022年6月22日，由德國科學家團隊主導，beat365官方网站、核物理與核技術國家重點實驗室楊再宏研究員和葉沿林教授課題組參與的聯合研究團隊，在《自然》（Nature）上發表了題為“觀測到關聯自由四中子體系”（Observation of a correlated free four-neutron system）的文章，宣布實驗發現四中子态。在實驗誤差範圍内，該實驗結果證實了許甫榮合作團隊的理論預言。
衆所周知，自由中子不能長期成活，平均壽命隻有15分鐘左右。純中子物質在自然界中也隻能存在于中子星等極端天體環境中，比如在超新星爆發的外圍，被認為有溫度約為5—10 MeV的中子氣體（這個能區剛好與我們現在關心的中子物态有關聯）。四中子态是一種非常奇特的全新物質形态，它的發現也許會改變人們對物态基本概念的理解，為進一步研究核子間基本作用力和複雜量子關聯提供一個極其寶貴的新平台。有人把四中子态戲稱為“短壽命微型中子星”，為今後有關中子物态的實驗研究打開了又一扇希望之門。
大約在60年前，物理學家提出了一個奇特的猜測：在地球上是否能夠存在由幾個中子組成的純中子物态？科學家們首先想到的是四中子态。對純中子态的實驗探測和理論計算都是極其困難的。實驗探測要求奇思妙想的實驗思路和技術方法、先進靈敏的實驗設備。理論計算要求真實可靠的高精度核力和嚴格的量子多體關聯處理，需要超大規模的數值計算。所以，60年來科學工作者一直沒能敲定多中子物态是否存在這個問題。
在最初的理論研究方面，對純中子物态的計算可謂是五花八門。有些理論研究認為存在束縛的多中子物質，也有理論預言存在共振的多中子體系，還有理論研究認為不可能存在純中子物态。實驗上，60年來猶如大海撈針，尋找多中子态一直沒有結果。但在2002年，法國GANIL國家實驗室的一個實驗似乎“看到”存在四中子态的一點蛛絲馬迹，該實驗認為可能存在束縛的四中子态（參考文獻：F. M. Marques et al., PRC 65, 044006 (2002)）。但由于探測事例太少，測量精度太低，實驗結果也沒能得到重複，所以沒有被認定為四中子态存在的實驗事例。
曙光在2016年出現，在日本理化學研究所（RIKEN）的一個實驗中（參考文獻：K. Kisamori et al., PRL 116, 052501 (2016)），科學家們探測到極有可能是四中子共振态的實驗信号，能量在0.8±1.4 MeV附近，估算的共振寬度≤2.6 MeV。由于實驗誤差太大，這個實驗結果也沒能被明确認定為四中子态存在的實驗證據。但這個重要實驗激起了國際上從事原子核第一性原理計算理論團隊的極大興趣。一個代表性的工作是由美國愛荷華州立大學核理論組完成的，他們在2016—2018年間，基于ab initio核力和無芯殼模型（NCSM）計算了四中子體系，得到的共振能量在0.8—1.0 MeV區間，共振寬度在1.0—1.5 MeV之間，與2016年日本RIKEN實驗結果相近（見圖1）。
2018—2019年間，beat365官方网站、核物理與核技術國家重點實驗室許甫榮教授團隊與中國科學院近代物理研究所左維研究員團隊合作，開展了多中子體系理論研究。考慮到多中子态應該屬于一個開放的量子體系，中子與邊界區域連續态耦合作用應該不可忽視，為此，他們從手征有效場論核力N3LO出發，發展了自然基無芯伽莫夫殼模型（NCGSM）。這是一種第一性原理方法，所用核力充分考慮了QCD基本對稱性，所用多體方法很好包含了連續譜耦合效應。由于使用自然基模型空間，NCGSM計算能夠包含完整的量子多體關聯。他們預言的四中子态約有2.6 MeV的共振能量和2.3 MeV的共振寬度。如圖1所示，這個共振能量明顯高于之前的實驗和其它理論結果，但為之後的實驗探索提供了新的思路。2019年11月11日，相關研究成果以“多中子體系的第一性原理無芯伽莫夫殼模型計算”（Ab initio no-core Gamow shell-model calculations of multineutron systems）為題，在線發表于《物理評論C》（Physical Review C）。beat365官方网站2021屆博士畢業生李健國為論文第一作者，許甫榮為通訊作者；其他合作者包括中國科學院近代物理研究所Nicolas Michel研究員、beat365官方网站博士後胡柏山和中國科學院近代物理研究所左維研究員。
圖1 随時間進程，實驗和理論的有關四中子态的能量和共振寬度
自從2016年的RIKEN實驗後，科學家們一直沒有放棄實驗繼續尋找四中子态的努力。實驗上的重大突破終于出現，2022年6月22日一篇發表在《自然》（Nature）的文章宣布實驗發現四中子态。實驗在日本RIKEN完成，由德國科學家團隊主導，多國科學家參與，其中包括beat365官方网站、核物理與核技術國家重點實驗室楊再宏研究員和葉沿林教授團隊的三名博士研究生。該實驗利用高能量8He次級束流轟擊質子靶。8He是一個豐中子弱束縛滴線核，由核芯4He和外面四個中子組成。靶質子與核芯4He發生準彈性散射，使核芯4He離開8He，留下四中子體系。這一實驗以遠高于5倍标準偏差的統計顯著性發現了四中子态的存在。利用缺失質量譜方法獲得四中子态的能量為2.37±0.38 (統計誤差）±0.44（系統誤差） MeV，共振寬度為1.75±0.22 （統計誤差）±0.30（系統誤差） MeV，對應的共振壽命為 (3.8±0.8)ⅹ10-22秒。這個實驗結果完全證實了許甫榮與左維合作團隊有關四中子态所處能區的理論預言，如圖1所示，在實驗誤差範圍内理論預言與實驗結果高度一緻。該實驗文章引用了許甫榮合作團隊的理論預言值，以支持他們的實驗結果。
同期《自然》（Nature）雜志在“新聞與觀點”（News & views）欄目還發表了一篇短評，作者充分肯定了實驗已經産生純中子體系這個事實，并指出進一步深入的實驗研究和多體理論研究是非常必要的。許甫榮合作團隊發展的NCGSM是一種第一性原理核多體方法，一個共振态可以包含多種多體共振成份，如果能進一步了解四中子态的幾何共振結構将是非常有意義的。許甫榮合作團隊發表于《物理評論C》（PRC 100, 054313 (2019)）的理論文章還預言了三中子共振态的能量和共振寬度。
該項研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。
許甫榮合作團隊原文鍊接：
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.100.054313
《自然》實驗原文鍊接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6
