北京大學物理學院和核物理與核技術國家重點實驗室葉沿林教授課題組與中國原子能科學研究院林承鍵研究員課題組合作，利用北京HI-13串列加速器提供的束流，依靠高分辨的多粒子探測手段，準確識別4-α粒子，重建了16O的類Hoyle共振態，為原子核中存在類似玻色愛因斯坦凝聚(BEC)的量子態提供了新的實驗證據。相關研究成果以“16O中類Hoyle結構的新證據”(New evidence of the Hoyle-like structure in 16O)為題，于2023年6月15日發表在《科學通報》(Science Bulletin)。
01
集團結構是在原子核低密度區普遍出現的奇特狀態，近年來受到理論和實驗的廣泛關注。按照??共軛核的Ikeda圖(見圖1)，??集團結構容易出現在對應的集團分離閾值附近。隨著激發能的提高，可以出現多??結構直至最高階的全??結構。如果所有??粒子均處于S軌道且體系的整體空間分布擴展，則原本以費米子(核子)獨立運動為基礎的核體系可轉化為以玻色子運動為基礎的BEC狀態。這種演化體現了量子多體結構的奧妙，對核物質形態和核天體過程有重要影響。此前的實驗和理論研究基本確認, 天體演化過程中影響巨大的12C的Hoyle態(7.65 MeV的激發態)是由3-組成的類BEC狀態，它主要通過+ 8Be 3衰變。比12C重的體系里，由于實驗直接測量多個且判斷它們所處狀態確實很困難，這種狀態是否存在迄今缺乏可靠的實驗證據。集團結構是在原子核低密度區普遍出現的奇特狀態，近年來受到理論和實驗的廣泛關注。按照??共軛核的Ikeda圖(見圖1)，??集團結構容易出現在對應的集團分離閾值附近。隨著激發能的提高，可以出現多??結構直至最高階的全??結構。如果所有??粒子均處于S軌道且體系的整體空間分布擴展，則原本以費米子(核子)獨立運動為基礎的核體系可轉化為以玻色子運動為基礎的BEC狀態。這種演化體現了量子多體結構的奧妙，對核物質形態和核天體過程有重要影響。此前的實驗和理論研究基本確認, 天體演化過程中影響巨大的12C的Hoyle態(7.65 MeV的激發態)是由3-組成的類BEC狀態，它主要通過+ 8Be 3衰變。比12C重的體系里，由于實驗直接測量多個且判斷它們所處狀態確實很困難，這種狀態是否存在迄今缺乏可靠的實驗證據。
圖1: Ikeda圖，顯示集團結構和對應分離閾的關系
圖2：前后類似測量結果的比較
02
葉沿林課題組與合作者使用96 MeV的16O轟擊12C靶, 非彈激發16O至4破裂閾之上。通過多套基于硅微條探測器的粒子望遠鏡系統，首次實現了對16O高激發態衰變的4個的準確識別和不同衰變道的區分，從而保證了高顯著度共振態的發現(見圖2中的This work)。對于本實驗探測到的部分4-α事件，可判斷其中3個已經處于S軌道(構建了Hoyle態);而第4個可處于不同軌道，對應于幾個高顯著度的16O共振態。按現有理論，這幾個共振態中，包含了第4個α也處于S軌道的情況(見圖3)，是16O中出現類BEC態的重要證據，值得理論和實驗上的進一步關注和確認。
圖3：探測原理及物理過程示意圖
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北京大學物理學院技術物理系2018級博士研究生陳家豪為第一作者，葉沿林教授為通訊作者。國內合作單位包括中國原子能科學研究院等。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、核物理與核技術國家重點實驗室開放基金等的支持。
