科研進(jìn)展
β衰變半衰期測(cè)量揭示原子核殼結(jié)構(gòu)演化特征
中國科學(xué)院近代物理研究所參與國際合作研究，在日本理化學(xué)研究所（RIKEN）的放射性同位素束流工廠（RIBF）上，系統(tǒng)測(cè)量了新雙幻核鈣-54附近40個(gè)豐中子原子核的β衰變半衰期，成功揭示了鈣以下原子核中子數(shù)為32和34的殼結(jié)構(gòu)演化行為，為深入理解極端豐中子原子核的結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相關(guān)研究成果于12月2日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
類似原子中電子的殼層結(jié)構(gòu)，原子核中的質(zhì)子和中子也存在特定的能量層級(jí)，當(dāng)質(zhì)子數(shù)或者中子數(shù)為某些特定數(shù)值（如2、8、20、28、50、82、126）時(shí)，原子核表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，這些數(shù)字被稱為 “幻數(shù)”。原子核的殼模型通過引入自旋-軌道耦合成功解釋了幻數(shù)，其提出者（M. Mayer和J. Jensen）因此獲得了1963年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的核區(qū)，傳統(tǒng)幻數(shù)可能減弱甚至消失、并可能出現(xiàn)新的滿殼或亞滿殼結(jié)構(gòu)。在豐中子鈣同位素中，中子數(shù)32和34已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有類似滿殼的效應(yīng)，但它們?cè)诟p元素（如鉀、氯）中的行為尚不明確。
由于該區(qū)域原子核的產(chǎn)額極低，傳統(tǒng)基于質(zhì)量測(cè)量或γ譜學(xué)的手段難以實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)。為此，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用β衰變半衰期對(duì)原子核單粒子軌道高度敏感的特性，系統(tǒng)測(cè)量了相關(guān)核素的半衰期，從而研究核子殼層結(jié)構(gòu)的演化。
團(tuán)隊(duì)利用RIBF產(chǎn)生的放射性束流，對(duì)鈣-54附近40個(gè)原子核的β衰變半衰期進(jìn)行了高精度測(cè)量，其中10個(gè)原子核的半衰期為首次測(cè)量，5個(gè)原子核的半衰期精度得到顯著提升。通過分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些原子核半衰期呈現(xiàn)出兩個(gè)突出的系統(tǒng)性特征：一是鉀-54的β衰變半衰期出現(xiàn)明顯偏離整體趨勢(shì)的下降，該現(xiàn)象可以解釋為中子數(shù)為34的亞滿殼效應(yīng)。這一解釋得到了殼模型理論計(jì)算的支持。二是氯-48的β衰變半衰期較相鄰?fù)凰仫@著偏短。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該異常源于氯-48中的中子可以輕易跨過中子數(shù)為32的亞殼激發(fā)。通過進(jìn)一步計(jì)算分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一跨殼激發(fā)主要來自于質(zhì)子空穴增加所導(dǎo)致的強(qiáng)烈組態(tài)混合，而非中子亞殼的顯著減弱。
隨著我國強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）即將投入運(yùn)行，其提供的高能量、高流強(qiáng)束流將能更高效地產(chǎn)生該核區(qū)乃至更豐中子的原子核。未來，依托HIAF對(duì)更豐中子原子核開展高精度的β衰變及其它譜學(xué)測(cè)量，有望進(jìn)一步拓展對(duì)原子核殼演化的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)殼模型理論的發(fā)展。
該研究由中國科學(xué)院近代物理研究所主導(dǎo)，聯(lián)合日本理化學(xué)研究所、北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)共同完成。近代物理所博士研究生曾全波為論文的第一作者及第一通訊作者，導(dǎo)師劉忠研究員為核心作者之一。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/227j-q7zf
圖1：本次實(shí)驗(yàn)的原子核二維粒子鑒別圖。圖中黑色實(shí)線右側(cè)為本工作首次測(cè)量半衰期的原子核
圖2：上圖：豐中子S、Cl、Ar和K同位素的β衰變半衰期系統(tǒng)性。實(shí)心符號(hào)表示本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值，空心符號(hào)為文獻(xiàn)值。實(shí)線和虛線分別展示了同時(shí)包含GT和FF躍遷以及僅考慮GT躍遷的殼模型理論半衰期。黑色點(diǎn)劃線用以突出54K35半衰期的偏離系統(tǒng)性下降。相關(guān)的中子、質(zhì)子軌道顯示在了右上角。下圖：包含F(xiàn)F和GT躍遷的理論半衰期與僅考慮GT躍遷的理論半衰期之比
(核反應(yīng)室??供稿)
