近日，北京大學物理學院技術物理系、核物理與核技術全國重點實驗室楊曉菲課題組與合作者利用共線激光譜技術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構現象。相關研究成果以《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構的重要實驗觀測量之一，對深入理解核子間相互作用以及檢驗核多體理論方法具有重要意義。長期以來，圍繞質子幻數Z=20附近核素的電荷半徑測量，在探索核結構新現象和推動核理論模型發展方面發揮了關鍵作用。例如，40—48Ca(電荷數Z=20保持不變)同位素的電荷半徑呈現出顯著的奇偶震蕩行為，這一獨特現象早在40年前即被實驗發現，至今仍在整個核素版圖中獨具特色。經過多年理論探索，盡管經驗公式和DFT理論已能較好地描述這一現象，但近年來迅速發展的ab-initio理論計算仍面臨挑戰。另一個值得關注的例子是，美國NSCL國家實驗室近期發現，豐質子鈧(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，再次對現有理論模型提出挑戰。上述實驗現象引發了一系列新問題：為什么豐質子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N=20到28之間，Sc同位素的電荷半徑是否也展現出獨特趨勢？中子幻數N=28的同中子素，其電荷半徑又將如何變化？
 

　　針對上述核結構問題，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驗，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N=28的同中子素鏈(質子依次填充殼模型0f 7/2軌道)與具有相同質子數Z=20的Ca同位素鏈(中子依次填充殼模型0f 7/2軌道)的電荷半徑進行系統對比。有趣的是，二者均展現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構機制，并與0f 7/2軌道(位于幻數20和28之間)的獨特性密切相關。
 

　　原子核基本性質的測量有時會閃現神奇的物理信息，有時一個關鍵數據點的引入，就能改變對原子核內在結構的理解，揭示隱藏的物理圖像。本研究不僅為深入理解該質量區原子核在質子/中子幻數20和28之間的結構演化提供了關鍵實驗依據，也為現有核理論模型的進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分析的模式，可拓展到其它核素區域，有助于實驗和理論對原子核基本性質和結構的深入研究。
 

　　左圖，Z=2040—48Ca同位素鏈(8個質子逐步填充殼模型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研發計劃、國家自然科學基金和新基石科學基金會等的支持。