长寿命量子态为解决放射性核之谜指明了道路

橡树岭国家实验室的蒂莫西·格雷领导的一项研究可能揭示了原子核形状的意外变化。这一令人惊讶的发现可能会影响我们对原子核如何结合在一起、质子和中子如何相互作用以及元素如何形成的理解。

“我们使用激发的钠 32 原子核的放射性束来测试我们对远离稳定的核形状的理解，并发现了一个意想不到的结果，引发了关于核形状如何演化的问题，”核物理学家格雷说。研究结果发表在《物理评论快报》上。

原子核的形状和能量可以随着时间的推移在不同的构型之间变化。通常，原子核作为具有球形或变形形状的量子实体存在。前者看起来像篮球，后者像美式橄榄球。

形状和能级之间的关系是科学界的一个重大悬而未决的问题。核结构模型很难外推到实验数据很少的区域。

对于一些奇异的放射性核，传统模型预测的形状与观察到的形状相反。预计在基态或最低能量构型下呈球形的放射性核，结果却发生了变形。

什么可以彻底改变量子态?

原则上，激发变形态的能量可以降至球形基态的能量以下，从而使球形成为高能形状。出乎意料的是，当中子与质子的自然比例变得不平衡时，某些奇异原子核似乎会发生这种角色逆转。然而，逆转后激发的球形态从未被发现。就好像一旦基态变形，所有激发态也会变形。

存在具有球形基态和变形激发态的原子核的许多例子。类似地，许多原子核具有变形的基态和随后也变形的激发态——有时具有不同数量或类型的变形。然而，同时具有变形基态和球形激发态的原子核则更加难以捉摸。

Gray 的团队利用 2022 年在稀有同位素束设施 ( FRIB)(密歇根州立大学的科学办公室用户设施)进行的首次实验收集的数据，发现了放射性钠 32 的长寿命激发态。新观察到的激发态的寿命异常长，为 24 微秒——大约是典型核激发态的一百万倍。

长寿命的激发态称为异构体。长寿表明有一些意想不到的事情正在发生。例如，如果激发态是球形的，则难以返回变形的基态可能是其长寿命的原因。

该研究涉及来自 20 所大学和国家实验室的 66 名参与者。联合首席研究员来自劳伦斯伯克利国家实验室、佛罗里达州立大学、密西西比州立大学、田纳西大学诺克斯维尔分校和橡树岭国家实验室。

生成用于 2023 年结果的数据的 2022 年实验采用了FRIB 衰变站启动器(FDSi)，这是一种模块化多探测器系统，对稀有同位素衰变特征极其敏感。

“FDSi 的多功能探测器组合表明，钠 32 的长寿命激发态是在 FRIB 光束内传递的，然后通过向同一核的基态发射伽马射线而在内部衰变，”ORNL 的 Mitch Allmond 说道。该论文的合著者，负责管理 FDSi 项目。

为了阻止 FRIB 以大约 50% 光速传播的高能放射性束，UT Knoxville 制造的植入探测器被放置在 FDSi 的中心。光束线以北是一个名为 DEGAi 的伽马射线探测器阵列，由 11 个锗三叶草式探测器和 15 个快速定时溴化镧探测器组成。束线以南是一个名为 NEXTi 的探测器的 88 个模块，用于测量放射性衰变中发射的中子的飞行时间。

一束受激发的钠 32 原子核停在探测器中，并通过发射伽马射线衰变至变形基态。通过分析伽马射线光谱来辨别束注入和伽马射线发射之间的时间差，揭示了激发态存在的时间。新异构体的存在时间为 24 微秒，是具有 20 至 28 个中子、通过伽马射线发射衰变的异构体中最长的寿命。观察到大约 1.8% 的钠 32 核是新异构体。

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