【新闻】国际核物理团队与马余刚院士课题组发现极端原子核氮-9

发布时间:2023-10-29 浏览次数:

原子核的极限在哪？这是核物理中一直追寻的前沿。最新发现的氮-9是一个令人瞩目的原子核，由七个质子和两个中子组成。这一不平衡的比例使得这个微小的物质团体几乎瞬间崩解，不到十亿分之一的纳秒内就会消失。然而，物理学家们认为，尽管如此，它仍然被视为一个原子核。它的存在和性质进一步拓展了核物理的边界与极限，加深人们对支配核物理的量子领域的认知。

为了制造氮-9，华盛顿大学圣路易斯分校的 Robert Charity 教授团队与密歇根州立大学的物理学家们通过一个厚度为1毫米的铍靶向氧-13核束发射。碰撞将一些氧核分解成碎片，研究人员在这些碎片中寻找新的原子核。如果氮-9是一个普通的原子核，科学家可以使用质谱仪这样的标准设备从碎片喷射中筛选出来。然而，氮-9崩解得太快，无法使用这种方法。相反，Charity 教授和他的同事通过寻找它们的衰变产物来发现这些瞬间存在的粒子。对于每个事件，他们使用一个测量动量和能量的探测器来捕获从靶向发射出来的所有核碎片。他们从数据中筛选出包含氮-9应该产生的粒子的事件：五个质子和一个α粒子。根据这些粒子的动量和能量，物理学家可以推断它们母核的质量。

研究人员甚至多次采用了这种迭代方法来研究氮-9的衰变机制。他们假设氮-9将分裂成质子和碳-8，一个不稳定的原子核，它会分解成两个质子和铍-6。铍-6也是一个不稳定的原子核，它会分解成两个质子和一个α粒子。研究人员验证了在候选事件中，看到了每个原子核在这一衰变链中的特征质量峰值。这些轻质量的中间核一个接一个地出现，正如一组嵌套的俄罗斯套娃（如图所示）。

不稳定的氮-9原子核分解成碳-8，然后分解成铍-6，最终变成一个α粒子，物理学家将这一系列事件比喻为嵌套的俄罗斯套娃。图片由王思敏提供

为了确保他们没有看到虚假信号，密歇根州立大学的 Witold Nazarewicz 教授团队与复旦大学王思敏青年研究员（马余刚院士团队）等理论核物理学家也作为主要工作者也参与其中。由于滴线区原子核非常复杂，且氮-9有着极其不平衡的质子中子比，这对理论来说是巨大的挑战。通过考虑连续谱效应，理论物理学家们对氮-9基态能量及其性质作了大量预言，为实验的证实提供了有力支持。

氮-9是目前发现的第一个五质子衰变原子核，是与周围环境强烈相互作用的开放量子系统的一个典型示例，其相关文章被发表在Physical Review Letters上（Eidtors’suggestion），并被 Science、Physics等杂志报道。通过对氮-9等不稳定原子核的研究，将为我们了解开放量子体系的基本性质有着重要帮助。