圖1: 18Mg四質子發射示意圖
遠離穩定線的原子核結構研究發現了大量的奇異現象，如原子核暈的形成，新幻數的產生，新的衰變模式等。質子滴線外的非束縛原子核會自發出射質子到達更穩定的末態;由于核子的對效應，其中偶質子數原子核傾向于同時發射兩個質子。近年來在輕質量區極豐質子的滴線外原子核中，還發現了稀少的三質子和四質子發射現象。這類奇特的衰變模式為研究質子滴線外的新核素提供了強大的譜學手段，揭示了豐富的核結構和核子關聯信息。
李智煥、華輝課題組與合作者在美國國家超導回旋加速器實驗室開展了滴線外Mg同位素的多質子衰變實驗研究。實驗利用20Mg放射性束流在9Be靶上的雙中子敲出反應，成功產生了質子滴線外的新核素18Mg，并使用Si-CsI(Tl)帶電粒子望遠鏡、閃爍光纖探測器和S800磁譜儀等裝置對其瞬發衰變產生的五個末態粒子(4p+14O)進行了高效率、高分辨的符合探測。根據測量結果重建了母核18Mg的不變質量譜，此項研究在實驗上首次確定了18Mg的基態質量和衰變寬度(圖2)。
圖2: 本實驗中重建的18Mg不變質量譜及Mg同位素中2+態激發能的系統性演化
通過研究衰變末態的四個質子和剩余核14O的能量關聯，發現18Mg基態經過級聯的兩步同時雙質子發射過程進行衰變。作為中間態的16Ne基態壽命相對較長，因此前后兩步雙質子發射過程彼此相對獨立。實驗結果同時揭示了18Mg基態與16Ne基態的衰變關聯的相似性，表明18Mg基態的雙質子衰變過程很可能也以s波的質子發射為主。實驗的另一個重要發現是同時觀測到18Mg中可能的第一個2+態，其激發能比鄰近的偶偶核同位素20Mg(擁有8個中子的滿殼層)更高，為Mg同位素中N = 8中子殼能隙的減弱提供了新的證據。
在此項研究工作中，北京大學物理學院2017級博士研究生金瑜和北京大學物理學院2018屆博士畢業生、美國密歇根州立大學國家超導回旋加速器實驗室博士后牛晨陽為論文共同第一作者，李智煥、華輝和Kyle Brown為共同通訊作者。合作單位包括中國科學院近代物理研究所、中山大學、復旦大學、美國密歇根州立大學(Michigan State University)和圣路易斯華盛頓大學(Washington University in St. Louis)。此項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
