近日，北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊曉菲課題組與合作者利用共線激光譜技術(shù)精確測量了豐中子鈧(Sc)同位素的電荷半徑，觀察到不同于鄰近同位素鏈的新結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。相關(guān)研究成果以《豐中子鈧同位素的電荷半徑與0f 7/2殼層中的seniority對稱性》(“Charge Radii of Neutron-Rich Scandium Isotopes and the Seniority Symmetry in the 0f 7/2 Shell”)為題，于2025年5月7日發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
原子核的電荷半徑是研究核奇特結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)觀測量之一，對深入理解核子間相互作用以及檢驗(yàn)核多體理論方法具有重要意義。長期以來，圍繞質(zhì)子幻數(shù)Z=20附近核素的電荷半徑測量，在探索核結(jié)構(gòu)新現(xiàn)象和推動核理論模型發(fā)展方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如，40—48Ca(電荷數(shù)Z=20保持不變)同位素的電荷半徑呈現(xiàn)出顯著的奇偶震蕩行為，這一獨(dú)特現(xiàn)象早在40年前即被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，至今仍在整個核素版圖中獨(dú)具特色。經(jīng)過多年理論探索，盡管經(jīng)驗(yàn)公式和DFT理論已能較好地描述這一現(xiàn)象，但近年來迅速發(fā)展的ab-initio理論計算仍面臨挑戰(zhàn)。另一個值得關(guān)注的例子是，美國NSCL國家實(shí)驗(yàn)室近期發(fā)現(xiàn)，豐質(zhì)子鈧(Sc，Z=21)同位素的電荷半徑行為與鄰近的K(Z=19)和Ca(Z=20)同位素截然不同，再次對現(xiàn)有理論模型提出挑戰(zhàn)。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)了一系列新問題：為什么豐質(zhì)子Sc同位素的電荷半徑與鄰近同位素鏈差異如此顯著？在中子幻數(shù)N=20到28之間，Sc同位素的電荷半徑是否也展現(xiàn)出獨(dú)特趨勢？中子幻數(shù)N=28的同中子素，其電荷半徑又將如何變化？
針對上述核結(jié)構(gòu)問題，楊曉菲課題組與合作者在歐洲核子研究中心ISOLDE放射性核束裝置上開展了共線激光譜實(shí)驗(yàn)，精確測量了豐中子Sc同位素的電荷半徑。令人驚訝的是，僅僅多增加一個質(zhì)子，Sc(Z=21)同位素的電荷半徑演化趨勢與40—48Ca(Z=20)完全不同。這一現(xiàn)象使原本在解釋Ca電荷半徑中取得成功的Fayan-DFT理論也陷入困境。特別是本工作首次測量的49Sc的電荷半徑，可以將具有相同中子數(shù)N=28的同中子素鏈(質(zhì)子依次填充殼模型0f 7/2軌道)與具有相同質(zhì)子數(shù)Z=20的Ca同位素鏈(中子依次填充殼模型0f 7/2軌道)的電荷半徑進(jìn)行系統(tǒng)對比。有趣的是，二者均展現(xiàn)出類似的顯著奇偶震蕩特征(見圖)。這一共同特征暗示其背后存在共通的結(jié)構(gòu)機(jī)制，并與0f 7/2軌道(位于幻數(shù)20和28之間)的獨(dú)特性密切相關(guān)。
原子核基本性質(zhì)的測量有時會閃現(xiàn)神奇的物理信息，有時一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的引入，就能改變對原子核內(nèi)在結(jié)構(gòu)的理解，揭示隱藏的物理圖像。本研究不僅為深入理解該質(zhì)量區(qū)原子核在質(zhì)子/中子幻數(shù)20和28之間的結(jié)構(gòu)演化提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為現(xiàn)有核理論模型的進(jìn)一步完善提供了有力支撐。此外，本工作采用的同中子素鏈電荷半徑系統(tǒng)分析的模式，可拓展到其它核素區(qū)域，有助于實(shí)驗(yàn)和理論對原子核基本性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的深入研究。
左圖，Z=2040—48Ca同位素鏈(8個質(zhì)子逐步填充殼模型0f 7/2軌道)的電荷半徑變化；右圖，N=28同中子素鏈(8個中子逐步填充殼模型0f 7/2軌道)的電荷半徑變化
課題組2022屆博士研究生和原博雅博士后白世偉為本文唯一第一作者，楊曉菲為本文唯一通訊作者。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和新基石科學(xué)基金會等的支持。
