近代物理所合成新核素214U并发现α粒子形成几率显著增强效应

  

  中科院近代物理研究所的科研人员及合作者日前首次合成新核素214U,并在重核区首次发现强的质子-中子相互作用导致α衰变中α粒子形成几率显著增强的现象。相关成果于414日以亮点文章编辑推荐Editors’ Suggestion)的形式发表于国际顶级物理学期刊Physical Review Letters上,并同时被美国物理学会的Physics杂志在线报道。

  寻找和合成极端条件下的原子核是当前核物理研究的重要课题。α衰变是重核区原子核的普遍衰变模式。因此,α衰变谱学不仅是用来鉴别重核和超重核素的有利工具,也是研究原子核结构信息的有效方法。 

  质子-中子相互作用作为一种重要的核子-核子相互作用,对理解远离稳定线原子核的核结构性质起着至关重要的作用,是原子核壳结构演化、集体性和形状变化的主要驱动力。近几十年来,人们在轻核区发现的原子核幻数产生或消失的现象大多数都与质子-中子相互作用息息相关。然而,在重核区,尤其是在中子壳N = 126附近的轻锕系核区,关于质子-中子相互作用导致原子核结构变化的实验证据还非常有限。 

  

  1:214,216U中质子-中子相互作用导致α粒子形成几率增强的示意图(张志远/图) 

  来自中科院近代物理所等单位的科研人员,利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置,在N = 126附近的轻锕系核区首次合成了新核素214U,并同时精确测量了216,218Uα衰变性质。其中,新核素214U仅观察到两条α衰变链,其核反应的产生截面仅为10pb,是目前SHANS谱仪上合成的新核素中反应截面最低的原子核,也是目前发现的最轻的铀同位素。 

  根据新测量的实验数据,科研人员首次在重核区发现了强的质子-中子相互作用导致α衰变中α粒子预形成几率显著增强的现象。研究人员提取了偶偶核α衰变约化宽度的物理量,并研究了Po-Pu核区α衰变约化宽度的系统性。研究发现,质子-中子相互作用在N < 126偶偶核α衰变中起着关键作用:相互作用越强,约化衰变宽度也越大,因此α粒子的预形成几率也越大。 

  研究还发现,214,216Uα衰变宽度明显偏离了系统性趋势,大约是已知Po-Th核素衰变宽度的两倍。在大规模壳模型理论计算的支持下,这种奇特的α衰变宽度增强效应被成功地解释为占据π1f7/2轨道的价质子和占据ν1f5/2轨道的价中子间相互作用突然增强的结果。 

  该实验现象的发现也预示着在极端缺中子的超铀核区(Z > 92, N < 126)存在类似的效应,将促进人们对原子核α衰变过程中α粒子预形成物理机制的更深入理解。 

    

    

  图2:实验测量的新核素214U的两条α衰变链。(图源:PRL) 

    

  图3:Po-Pu偶偶核约化α衰变宽度随中子数(a)和NpNn值(b)变化的系统性,图中实心圆点表示本工作中提取的214,216,218U的α衰变宽度。NpNn分别代表原子核中价质子和价中子的数目,它们的乘积一般用来衡量质子-中子相互作用的强度。(图源/PRL) 

  该研究主要由中科院近代物理所核物理中心新核素合成团队负责,联合同济大学、中科院理论物理所、中山大学、瑞典皇家理工学院、英国约克大学、北京大学、广西师范大学、南京航空航天大学、山东大学、辽宁师范大学等国内外11家单位共同完成。  

  研究工作得到了中国科学院B类先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、广西自然科学基金项目、中科院青年创新促进会以及英国科学技术装置委员会等项目的支持。

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  (超重核与核结构室  供稿)