我国学者与海外合作者在极端丰中子核素研究中取得进展
日期 2021-02-26  来源:数理科学部  作者:李会红 金亮

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图1: (a) 共线共振电离谱及β粒子探测系统;(b) (c) 分别利用离子和β探测技术获得的部分超精细结构谱图; (d) 52K的超精细结构谱图

  在国家自然科学基金项目(批准号:11875073)资助下,北京大学杨晓菲研究员实验团队与比利时鲁汶大学、英国曼彻斯特大学、欧洲核子中心等合作者在极端丰中子核素的基本性质及结构研究中取得进展。首次结合高分辨激光核谱和不稳定核β衰变探测技术,完成了弱束流条件下极端丰中子核素52K的电荷半径测量。相关结果以“奇特钾同位素的电荷半径对核理论和 N = 32 幻数特性的挑战(Charge radii of exotic potassium isotopes challenge nuclear theory and the magic character of N=32)”为题,于2021年01月28日在线发表于《自然·物理》(Nature Physics)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41567-020-01136-5。

  在原子核的量子态结构中,“幻数”是质子或中子填满某个主壳层的数目。近些年,随着大量不稳定核素的产生,人们发现远离稳定线弱束缚原子核的壳层结构发生了系列演化,出现了原有“幻数消失”和“新幻数”等奇特现象,成为当今核物理的重大科学问题。激光核谱技术是近来年快速发展的能够有效测量不稳定核多个基本性质的关键技术,在确定不稳定核基本性质和奇特结构研究中有显著的特点和优势。

  实验研究在欧洲核子中心的ISOLDE放射性束流终端进行,目标核素52K的产率仅有约200离子/秒,而伴随它同时产生的稳定杂质核高达106 离子/秒。针对这一极低信噪比问题,本研究首次提出β衰变标记的共线共振电离激光谱实验方法[图1(a)]。利用极端丰中子核素短寿命特征,采用探测激光共振电离目标核的β衰变电子的方法代替了记录电离离子,很大程度避免了杂质核素的干扰[图1(b), 1(c)], 实现了对52K及其同位素的超精细结构谱测量[图1(d)]。实验结果表明在钾同位素电荷半径中没有显示出N=32的幻数特征[图2];现有理论模型也无法合理地解释电荷半径的实验结果,这是丰中子核区出现的又一奇特现象。迄今人类对丰中子原子核基本性质和奇特结构的认知还很有限,本研究提出的β衰变标记共线共振电离激光谱实验方法可将极端丰中子核基本性质的研究拓展到新的核素区域,将有助于实验和理论更深入地探索丰中子原子核基本性质。

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图2:钾同位素的电荷半径实验值与多种核理论模型计算结果的比较