北大实验核物理团队发现丰中子核16C的链状分子转动带

日前,物理学院和核物理与核技术国家重点实验室(北京大学)实验核物理团队依靠系统可靠的实验观测和分析,发现了丰中子核16C中的线性链状分子结构,在不稳定核奇特结构实验研究中取得重要进展。结果发表在《物理评论快报》。

不稳定原子核占有核素版图的绝大部分区域,近20多年来在实验室中逐步产生出来,表现出一系列新奇的结构和动力学性质,也带来新的应用前景。其中,丰中子原子核的特别奇异的线性链状分子结构已有多年理论预言,但实验发现十分困难,需用多种证据相互印证。此前多个实验组在14C中观察到链状分子态的个别证据(如北大组的前期工作[ Phys. Rev . C95, 021303R(2017)])。此次北大组在更加丰中子的16C中,通过反应Q值、能级、自旋、特征衰变纲图等多个观测量,完整确认了π2σ2构型的正宇称线性链状分子转动带的四个成员,成为这种结构研究的一项重要跨越。

此项研究的实验探测在我国的大科学装置兰州重离子加速器(HIRFL)上的RIBLL1放射性束流线上完成。实验采用每核子23.5 MeV的16C次级束流,通过非弹散射将16C激发到集团破裂阈值之上的高激发态。采用精密的零度粒子望远镜和多套大角度的探测器组合,精确测量末态全部三个粒子。通过全粒子能动量守恒关系逐事件推知入射粒子能量,避开了放射性次级束流能量扩散的缺陷,首次在弹核碎裂型次级束实验中得到分辨率很高的Q值谱,从而清晰的识别出16C的选择性衰变路径。分析过程并采用特殊方法区分了相邻硅微条信号的真假来源,大大提高了最终获得的多重关联真实事件数,从而在足够的统计下通过模型独立的角关联分析获得了分子转动带头号成员的自旋。实验最终确认了价中子处于π2σ2构型的正宇称线性链状分子转动带的四个成员:16.5 MeV(0+)、17.3 MeV(2+)、19.4 MeV(4+) 和21.6 MeV(6+)。图1概略显示了观察到的分子带成员及其衰变特性。实验还观察到一个可能的纯σ4构型的分子态(27.2 MeV),为后续实验提供了指引。

图1:16C的线性链状分子带成员的构型及其选择性衰变示意图。实线箭头宽度正比于衰变概率

此项工作发表在Physics Review Letters 124,192501(2020) (链接 https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.192501),北京大学博士研究生刘洋为第一作者,物理学院叶沿林教授为通讯作者;合作单位包括中国科学院近代物理研究所、湖州大学、哈尔滨工程大学、日本北见工业大学和日本北海道大学。研究工作得到科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金委项目等的经费支持。

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