北京放射性核束装置开展首次实验:发现钠20原子核存在奇异新衰变模式
发表时间:2021-02-03 09:23:23

    近日,原子能院核物理所核天体物理创新团队依托北京放射性核束装置BRIF(Beijing Radioactive Ion-beam Facility),首次发现20Na原子核存在奇异β-γ-α衰变新模式。1月29日,该研究结果被国际核物理领域著名学术期刊 Physical Review C(《物理评论C》)以快报形式在线发表。这是BRIF建成后获得的首个核物理基础研究成果,合作单位包括北京师范大学、北京大学、美国密歇根州立大学、中山大学、南华大学。文章第一作者为原子能院王友宝研究员,通讯作者为原子能院王友宝、柳卫平研究员及北京师范大学苏俊教授、美国密歇根州立大学B.A. Brown教授。

    自然界中存在着许多对称性,每种对称性都对应一个守恒定律。例如空间平移对称性对应动量守恒,而空间转动对称性则对应角动量守恒。对称性原理是自然界的普遍法则,也是物理学的灵魂所在。同位旋是微观粒子的基本性质之一,构成原子核的质子和中子具有近似的质量,在只考虑强相互作用时可以看成一种粒子,这就是著名的同位旋守恒定律。

    20Na的β衰变可以用来检验同位旋对称性。20Na的半衰期为0.448秒,衰变能13.887MeV, 基态的自旋宇称为2+,同位旋T=1。20Na主要通过Fermi或G-T跃迁衰变到20Ne T=0或1的1+、2+和3+态。根据同位旋守恒定律,只有T=0的20Ne共振态才能通过发射α粒子退激到16O的基态;T=1的20Ne 1+、2+和3+态,尽管远高于α粒子分离阈,只能通过发射γ射线退激,这意味着20Na可能存在β-γ-α奇异衰变模式,即γ跃迁为随后的α发射充当桥梁作用。这种奇异的衰变模式虽然极其稀有,却是检验同位旋守恒的灵敏探针。

     作为BRIF建成后的首个在线物理实验,核天体物理团队与串列升级工程回旋加速器团队、在线同位素分离器技术团队高度协作,前后经过4次实验完成了20Na的β衰变测量。实验中20Na的平均流强达到15000粒子/秒。基于对20Na 衰变发射的β、γ、α射线的高效率同时测量,实现了γ-γ、α-γ符合谱学。

 

BRIF平面图

    经过细致分析,发现了20Na的3个β-γ-α奇异衰变序列,和1个β-α-γ衰变序列。每个奇异衰变序列在20Na衰变中占比只有十万分之二左右,是极其稀有的事件。此项研究应用新建的衰变终端,首次发现了这些奇异衰变序列,验证了同位旋守恒的可靠性;还对导致同位旋对称性破缺的微观机制­,即同位旋混杂现象进行了理论计算,得到了不同同位旋能级发生混杂的矩阵元的值。β-γ-α奇异衰变模式成为衰变家族的新成员,必将在短寿命放射性核衰变中受到越来越多的重视。此外,该发现也为在BRIF装置上进行强流放射性核衰变实验拓展了全新的研究方向。

 20Na的衰变纲图

    该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委科学仪器专项、国家自然科学基金委和中核集团核技术创新联合基金、财政部稳定支持研究经费等项目支持。(文/王友宝)