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长寿命量子态为破解放射性核之谜指明了道路......
光子盒研究院
美国能源部橡树岭国家实验室的Timothy Gray领导的一项研究可能揭示了原子核形状的变化。这一意外发现可能会影响我们对原子核的组成、质子和中子如何相互作用以及元素如何形成的理解。
核物理学家Gray说：“我们利用激发的钠-32 原子核的放射性束来检验我们对远离稳定的核形状的理解，发现了一个意想不到的结果，提出了关于核形状如何演变的问题。”
6月13日，这些结果发表在《物理评论快报》上。
原子核的形状和能量会随着时间的推移在不同的构型之间发生变化。通常情况下，原子核作为量子实体，具有球形或变形形状；前者看起来像篮球，后者则像美式足球。
形状和能级之间的关系是科学界的一大悬而未决的问题，核结构模型很难推断出实验数据很少的区域。
对于一些奇异的放射性原子核，传统模型预测的形状与观测到的形状正好相反。放射性原子核的基态或最低能量构型被认为是球形的，但结果却是变形的。
原则上，受激变形态的能量可以降到低于球形基态的能量，从而使球形成为高能态。令人意想不到的是，当中子与质子的自然比例失调时，这种角色逆转似乎正在某些奇异原子核中发生。然而，逆转后的激发球形态(spherical states)却从未被发现过。这就好像一旦基态发生变形，所有激发态也会随之变形一样。
许多原子核都有球形基态和变形激发态。同样，很多原子核的基态发生了变形，随后的激发态也发生了变形——有时变形的程度或种类不同。然而，同时具有变形基态和球形激发态的原子核却更加难以捉摸。
利用 2022 年在位于密歇根州立大学的美国能源部科学办公室用户设施——稀有同位素束流装置（FRIB），进行的首次实验所收集的数据，Gray研究组发现了放射性钠-32 的一种长寿命激发态。新观测到的激发态具有 24 微秒的超长寿命：大约是典型核激发态寿命的一百万倍。
长寿命激发态被称为同分异构体，寿命长说明发生了一些意料之外的事情。例如，如果激发态是球形的，那么很难返回到变形的基态，这可能是其寿命长的原因。
这项研究有来自 20 所大学和国家实验室的 66 人参与。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ORNL。
结果的数据产生来自于 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为敏感。
“FDSi的多功能探测器组合显示，钠-32的长寿命激发态在FRIB光束内被传递，然后通过发射伽马射线在内部衰变到同一原子核的基态。”论文的共同作者、负责管理FDSi项目的ORNL的Mitch Allmond说。
FRIB的高能放射性光束的速度约为光速的50%，为了阻止这种光束，UT诺克斯维尔分校在FDSi中心安装了一个植入探测器。光束线北侧是一个名为 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。光束线南侧有 88 个名为 NEXTi 的探测器模块，用于测量放射性衰变中发射的中子的飞行时间。
一束受激的钠-32 核在探测器中停止，并通过发射伽马射线衰变到变形基态。通过分析伽马射线光谱来分辨光束植入和伽马射线发射之间的时间差，可以发现激发态存在了多长时间。新异构体的存在时间为 24 微秒，是通过伽马射线发射衰变的 20 至 28 个中子的异构体中存在时间最长的。据观测，约有1.8%的钠-32原子核是新异构体。
Gray说：“我们可以提出两种不同的模型，它们同样能很好地解释我们在实验中观察到的能量和寿命。”
要确定钠-32 的激发态是否为球形，还需要进行更高束功率的实验。如果是，那么该状态将具有六个量化单位的角动量，而角动量是原子核的一种质量，与原子核的整体旋转或各个质子和/或中子围绕质心的轨道运动有关。但是，如果钠-32 的激发态发生变形，那么该态的角动量单位将为零。
未来，团队计划对 FRIB 进行的升级将提供更强的能量，增加光束中的原子核数量。来自更强光束的数据将使实验能够区分这两种可能性。
Gray解释道：“我们将描述在级联中发射的两束伽马射线的角度之间的相关性。这两种可能性的伽马射线之间的角度相关性非常不同。如果我们有足够的统计数据，我们就能分辨出揭示明确答案的模式。”
参考链接：[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.242501[2]https://phys.org/news/2023-08-long-lived-quantum-state-mystery-radioactive.html
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