圖1：(a) 輕核區(qū)偶偶核中的集團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)示意圖(Z-質(zhì)子數(shù);N-中子數(shù))，其中粉紅色襯底上展示的是葉沿林課題組工作發(fā)現(xiàn)的14C中的具有3-α核心的線(xiàn)性鏈狀分子結(jié)構(gòu)。根據(jù)反對(duì)稱(chēng)分子動(dòng)力學(xué)(AMD)計(jì)算，繪制了碳同位素中三角形和鏈狀結(jié)構(gòu)的價(jià)中子構(gòu)型(π2，σ2和π2σ2)。(b) 14C中線(xiàn)性鏈狀分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶的激發(fā)能量-自旋(EX-J)關(guān)聯(lián)，其中能量和自旋的單位分別為MeV和約化普朗克常數(shù)?。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，原子核是由核子(中子和質(zhì)子)組成的緊湊的近似球體，核子在原子核的平均場(chǎng)內(nèi)幾乎是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的。然而，隨著激發(fā)能量、角動(dòng)量或同位旋不對(duì)稱(chēng)性(即中子與質(zhì)子的比例)的增加，原子核的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化。在低密度的核環(huán)境中，部分核子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)可以在局域形成相對(duì)穩(wěn)定的α、2n(雙中子)或更重的集團(tuán)(cluster)。例如，著名的12C Hoyle態(tài)(第二個(gè)O+態(tài))是一個(gè)3-α凝聚態(tài)[圖1(a)]，它在恒星中重元素合成過(guò)程中起著決定性作用。
理論預(yù)言碳同位素的激發(fā)態(tài)可能長(zhǎng)成三個(gè)α集團(tuán)排成一串的線(xiàn)性鏈狀結(jié)購(gòu)[圖1(a)]。但多年研究表明，12C中的3-α結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定;而在豐中子碳同位素中，由于價(jià)中子的存在，在泡利不相容原理和量子態(tài)正交條件的驅(qū)動(dòng)下，線(xiàn)性鏈狀結(jié)構(gòu)可以形成比較穩(wěn)定的的共振態(tài)。盡管原子核集團(tuán)結(jié)構(gòu)的理論研究取得了顯著進(jìn)展，各種模型在理解和預(yù)言集團(tuán)結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展了大量工作，但直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然非常有限。對(duì)于2-α核心的鈹同位素，通過(guò)對(duì)衰變碎片的符合測(cè)量，人們成功地重建了那些具有顯著集團(tuán)結(jié)構(gòu)的共振態(tài)。對(duì)于3-α核心的碳同位素，由于其衰變子核10,12Be具有束縛的激發(fā)態(tài)，測(cè)量難以區(qū)分，因此實(shí)驗(yàn)上更具挑戰(zhàn)性。受到實(shí)驗(yàn)分辨或放射性核束流強(qiáng)度的限制，提取激發(fā)態(tài)的自旋-宇稱(chēng)信息則更加困難。因此，14C中線(xiàn)性鏈狀分子結(jié)構(gòu)的存在一直以來(lái)難以確定。
為了確認(rèn)14C中可能存在的線(xiàn)性鏈狀分子結(jié)構(gòu)，北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)核物理團(tuán)隊(duì)及其合作者在HIRFL-RIBLL1實(shí)驗(yàn)終端開(kāi)展了一項(xiàng)非彈激發(fā)和集團(tuán)衰變實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)末態(tài)粒子4He+10Be+1He的高效率三重符合測(cè)量，獲得了高分辨的反應(yīng)Q值譜，為識(shí)別14C激發(fā)態(tài)的衰變路徑和自旋分析奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)觀察到了理論預(yù)言的14C的π型線(xiàn)性鏈分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶的前三個(gè)共振態(tài)成員，并進(jìn)行了清晰的自旋-宇稱(chēng)分析[圖1(b)]。這是首次確認(rèn)了14C的π型線(xiàn)性鏈狀分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶，這為輕核區(qū)豐中子核中線(xiàn)性鏈狀集團(tuán)結(jié)構(gòu)的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，將推動(dòng)這類(lèi)奇特結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步觀測(cè)和研究。
北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系博士研究生韓家興為論文第一作者，葉沿林為論文通訊作者;合作者包括來(lái)自中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、哈爾濱工程大學(xué)和內(nèi)蒙古民族大學(xué)等單位的研究人員。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
