近日，中國科學(xué)院近代物理研究所科研人員與合作者在原子核的奇特衰變研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到新核素鋁-20，并發(fā)現(xiàn)其通過稀有的三質(zhì)子發(fā)射模式進(jìn)行衰變。相關(guān)成果于7月10日發(fā)表在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

目前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3300多種核素，其中不足300種是自然界中天然存在的穩(wěn)定核素，其余均為不穩(wěn)定核素，會發(fā)生放射性衰變。常見的衰變模式有α衰變、β-衰變、β+衰變、電子俘獲、γ躍遷以及裂變等，這些衰變模式在20世紀(jì)中葉前已被發(fā)現(xiàn)。

近半個(gè)多世紀(jì)以來，隨著核物理實(shí)驗(yàn)裝置與探測技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們在遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的原子核的衰變研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種新的衰變模式。上世紀(jì)七十年代，科研人員首次觀測到原子核自發(fā)地放射出質(zhì)子的衰變現(xiàn)象，即單質(zhì)子放射性。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，又發(fā)現(xiàn)了極缺中子原子核同時(shí)放射出兩個(gè)質(zhì)子的奇特衰變模式，即雙質(zhì)子放射性。近年來，實(shí)驗(yàn)上又相繼觀測到三質(zhì)子、四質(zhì)子乃至五質(zhì)子發(fā)射等更為稀有的衰變現(xiàn)象。這些奇特衰變模式為研究遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核的結(jié)構(gòu)提供了重要的譜學(xué)手段。

本研究中，科研人員基于德國亥姆霍茲重離子研究中心的碎片分離器裝置，利用飛行中衰變實(shí)驗(yàn)技術(shù)測量了鋁-20衰變產(chǎn)物(即三個(gè)質(zhì)子與剩余核氖-17)的角關(guān)聯(lián)，首次觀測到新核素鋁-20的三質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象。鋁-20位于質(zhì)子滴線外，比自然界穩(wěn)定存在的鋁同位素少7個(gè)中子，是迄今實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的最輕的鋁同位素。

進(jìn)一步的研究表明，鋁-20基態(tài)通過級聯(lián)的質(zhì)子—雙質(zhì)子發(fā)射的兩步過程進(jìn)行衰變。作為中間態(tài)的鎂-19基態(tài)具有雙質(zhì)子放射性，它通過同時(shí)發(fā)射兩個(gè)質(zhì)子衰變?yōu)槟?17。鋁-20是實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的首例具有“子核”雙質(zhì)子放射性的三質(zhì)子發(fā)射核。

研究團(tuán)隊(duì)利用伽莫夫殼模型和伽莫夫耦合道方法開展了理論計(jì)算，合理地再現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)測得的鋁-20衰變能，預(yù)言了其基態(tài)自旋宇稱。研究表明，在鋁-20與氮-20這對鏡像核體系中存在同位旋對稱性破缺。

該研究深化了人們對質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象的認(rèn)識，對尋找原子核存在極限和理解質(zhì)子滴線外原子核的結(jié)構(gòu)與衰變具有重要意義。

該工作由中國科學(xué)院近代物理研究所聯(lián)合德國亥姆霍茲重離子研究中心、復(fù)旦大學(xué)等國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)的研究人員合作完成。論文第一作者為近代物理所副研究員徐曉棟。

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、甘肅省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1：鋁-20三質(zhì)子發(fā)射示意圖。(圖/徐曉棟)

圖2：鋁-20基態(tài)及其一條激發(fā)態(tài)(衰變能為3.6 MeV)的衰變綱圖。(圖源/Physical Review Letters)