科研人員首次在實驗上觀測到新核素鋁-20

科技日報記者 頡滿斌

記者8月4日從中國科學院近代物理研究所獲悉，該所科研人員與合作者在原子核的奇特衰變研究領域取得重要進展。科研人員首次在實驗上觀測到新核素鋁-20，並發現其通過稀有的三質子發射模式進行衰變。相關成果發表在《物理評論快報》上。

目前，人們已經發現了3300多種核素，其中不足300種是自然界中天然存在的穩定核素，其餘均為不穩定核素，會發生放射性衰變。常見的衰變模式有α衰變、β-衰變、β+衰變、電子俘獲（EC）、γ躍遷以及裂變等，這些衰變模式在20世紀中葉前已被發現。

近半個世紀以來，隨着核物理實驗裝置與探測技術的發展，科學家們在遠離穩定線的原子核（特別是缺中子核）的衰變研究中陸續發現了多種新的衰變模式。20世紀七十年代，科研人員首次觀測到原子核自發地放射出質子的衰變現象，即單質子放射性。進入21世紀後，科研人員又發現了極缺中子原子核同時放射出兩個質子的奇特衰變模式，即雙質子放射性。近年來，實驗上又相繼觀測到三質子、四質子乃至五質子發射等更為稀有的衰變現象。這些奇特衰變模式為研究遠離穩定線原子核的結構提供了重要的譜學手段。

該研究中，科研人員基於德國亥姆霍茲重離子研究中心的碎片分離器裝置，利用飛行中衰變實驗技術測量了鋁-20衰變產物（即三個質子與剩餘核氖-17）的角關聯，首次觀測到新核素鋁-20的三質子發射現象。鋁-20位於質子滴線外，比自然界穩定存在的鋁同位素少7箇中子，是迄今為止實驗上發現的最輕的鋁同位素。進一步的研究表明，鋁-20基態通過級聯的質子—雙質子發射的兩步過程進行衰變。作為中間態的鎂-19基態具有雙質子放射性，它通過同時發射兩個質子衰變為氖-17。鋁-20是實驗上發現的首例具有“子核”雙質子放射性的三質子發射核。

研究團隊利用伽莫夫殼模型和伽莫夫耦合道方法開展了理論計算，合理地再現了實驗上測得的鋁-20衰變能，預言了其基態自旋宇稱，由此深入研究了鋁-20與其鏡像核氮-20間的同位旋對稱性。

同位旋對稱性是核物理中的一個基本原理。根據該對稱性，具有相同質量數但質子數與中子數互換的鏡像原子核，其能級結構應該相同，即表現為相同的自旋宇稱與相近的激發能。此對稱性在多數原子核體系中近似成立，因此其破缺現象對核結構研究具有重要價值。研究表明，在鋁-20與氮-20這對鏡像核體系中存在同位旋對稱性破缺。