近日，西安交通大學物理學院栗建興教授團隊與蘭州大學核科學與技術學院牛一斐教授團隊合作，針對核物理中長期存在的難題——“電子激發核巨共振中的角動量轉移機理”，發展了一種角動量分辨的非彈性散射理論，該理論自洽地考慮了電子的內稟自旋和軌道角動量自由度，提出基于電子探針調控原子核巨多極共振的新方案，為傳統核結構研究提供了新的視角。

原子核巨共振是由核內核子集體運動引起的，不僅在核結構研究中發揮著重要作用，還可以作為約束核狀態方程的手段，對理解超新星爆炸和中子星結構等一系列天體物理過程至關重要。目前，原子核巨共振的激發能量主要集中在10-30MeV范圍，其模式由躍遷多極性、自旋和同位旋所表征。然而，實驗上仍缺乏有效的探針來激發具有更高多極性的同位旋矢量巨共振。目前的實驗方案主要依賴電子散射，但報告的參數(如躍遷概率和共振寬度)存在較大差異。這些問題源于實驗探針的多極選擇性有限，以及強烈的模型依賴性。此外，傳統的電子非彈性散射理論主要關注電子的自旋自由度，未能充分解決角動量守恒問題，且散射過程中的選擇定則尚不明確。這引發了一系列問題，例如，散射的電子是否能夠從原子核獲得軌道角動量，以及渦旋電子與原子核的散射機制等。

圖：平面波電子(a)和渦旋電子(b)激發原子核的示意圖

針對上述關鍵問題，栗建興教授和牛一斐教授的研究團隊合作，基于準粒子無規相位近似模型，發展了一種角動量分辨的非彈性散射理論，將電子的軌道角動量納入傳統理論框架中。研究發現，平面波電子激發的巨共振可以有效產生具有軌道角動量±1的渦旋電子(如圖(a1)所示)。散射電子的波函數演變為具有特定總角動量投影??′的渦旋態，遵循的選擇定則為??−??−??′ = 0((如圖(a2)所示)，這里的??和??分別是入射電子的螺旋度以及原子核初末態磁量子數變化。相對于巨偶極共振，巨四極共振的散射電子具有兩個額外的角動量態，因此可以通過選擇??′=??±2的散射電子，以模型無關的方式提取巨四極共振的躍遷強度。對于具有特定總角動量投影??的渦旋電子激發的巨共振(如圖(b1)所示)，當原子核位于束流軸上時，選擇定則被修改為??−??−??′=0(如圖(b2)所示)，從而初始的軌道角動量能夠傳遞給末態。當原子核偏離束流軸時，散射電子的波函數處于疊加態，單一的磁量子數??可以映射到多個角動量態(如圖(b3)所示)。通過將散射電子的角動量狀態與磁量子數??相關聯，我們可以使用渦旋電子提取巨四極共振的躍遷強度，而不受原子核相對于束流軸位置的影響。因此，一方面，渦旋電子可以在電子散射實驗中自然而然地產生。對散射電子態的精確診斷也可以增強多極躍遷的選擇性，從而允許以模型無關的方式提取躍遷強度。另一方面，通過對微分散射截面與碰撞參數依賴性的測量，也可以作為探測相對論高能渦旋電子角動量的方案。該研究揭示了軌道角動量在調控核躍遷中的關鍵作用，為核結構的理解開辟了新的視角。同時，該研究方法為具有軌道角動量的高能渦旋電子的產生和探測提供了新的可能性，進而激發了對渦旋電子應用的深入探索。

該成果以“AngularMomentum Resolved Inelastic Electron Scattering for Nuclear Giant Resonances”(原子核巨共振的角動量分辨非彈性電子散射)為題，于2025年2月4日在線發表在Physical Review Letters(《物理評論快報》)上。西安交通大學物理學院博士研究生盧知為和蘭州大學核科學與技術學院博士研究生郭亮為該論文共同第一作者，牛一斐教授和栗建興教授為該論文的共同通訊作者。南開大學和西北核技術研究所為該論文的合作單位。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、中物院激光聚變研究中心、陜西基礎(數學、物理)研究院、中核集團創新科學計劃、理論物理專款上海核物理理論研究中心等項目經費支持。