当前核物理学中最活跃的领域之一是研究具有较大中子数/质子数(N/Z)失衡的稀有同位素。这类核的结构为现有的理论提供了强有力的实验支持，通过这些方法可以构建出由成分核子之间的基本相互作用构成的第一原理方法。
由于强核力的作用，核能够绑定更多中子而不仅仅是质子，而且在轻质、富中子的核中存在最极端的N/Z不对称性（图1a）。在这些核的核结合极限（中子滴线）之外，核可以存在为非常短寿命（约10-21秒）的共振态，通过自发中子发射衰变，其能级和寿命取决于系统的基本结构。实验上，只有在最轻的系统（图1a）中才能到达这种核，其中核结合极限的位置已经确定能到达氖（Z=10），而最重的中子不稳定核则为氟（Z=9）28F。
尽管N=20壳层闭合效应已得到学界共识，但在富中子的Ne、Na和Mg（Z=10–12）同位素中该效应消失了。该区域被称为“倒置之岛”（Island of Inversion，IoI），其中中子sd壳层与pf壳层轨道之间的能量差距（如图1b所示）变得较弱甚至消失，而具有中子激发到pf壳层轨道中的构型占据了这些核的基态（gs），如图1c所示。在这种构型下，IoI核具有很好的变形性质，而不是球形的，并且具有低能的激发态。最近，IoI已被证实扩展到邻近28O的氟同位素28,29F（N=19, 20）。另一方面，最后一个与质子结合的氧同位素，24O，在N=16处形成了一个新的闭合壳层。因此，更富中子的氧同位素，尤其是28O的结构特性是一个引人注目的问题。然而，迄今为止，人们只观测到了25,26O（N=17, 18），分别作为单中子和双中子不稳定的系统，后者存在于一个极窄的、几乎不稳定的共振态。
图1. 核图表和壳结构。
近日，东京理工学院Y. Kondo团队首次观测到28O和27O，该观测结果分别通过其衰变产物为24O、四个中子和三个中子而得到确认。28O的观测具有特殊的意义，因为在标准的核结构壳模型中，它具有Z=8和N=20的魔数，被预期为相对较少的所谓“双魔数”核之一。27O和28O都被发现存在于狭窄且能量较低的共振态，作者将它们的衰变能量与复杂的理论模型结果进行了比较，包括大规模的壳模型计算和新开发的统计方法。在两种情况下，基本的核相互作用都是从量子色动力学的有效场论中推导出来。最后的结果表明，从29F束流产生28O的截面与非闭合的N=20壳结构是一致的。该工作以题为“First observation of 28O”的论文发表在最新一期《Nature》上。
核子脱落反应实验装置
作者通过235 MeV/核子的29F束流诱导的质子诱发的核子脱落反应，产生了27,28O这两个中子不稳定核。如图2所示，作者通过塑料闪烁体和多丝漂移室对29F离子进行了表征，并将其追踪到一个液氢反应靶上。氢靶被MINOS时间投影室包围，从而可以确定反应顶点。这种组合不仅提供了最大的亮度，还能保持良好的27,28O衰变能量分辨率。
图2. 实验装置。
实验分析方法
作者通过从谱仪探测器导出的磁性刚度、能量损失和飞行时间，对24O碎片进行了分析。多中子的探测需要应用专门的离线分析程序来排除干扰信号，即中子在两个或更多闪烁体之间散射并被记录的事件。
在分析中，衰变中子被标记为n1、n2等，按照24O与ni之间的两体相对能量E0i的升序排列，即E01 < E02 < E03 < E04（图3d）。从五个衰变粒子的测量动量矢量重建的28O衰变能量E01234如图3a所示。在约0.5 MeV处可明显观察到一个窄峰，可以指定为28O的基态。其中一小部分干扰事件无法通过拒绝程序消除，而它们对E01234谱的影响很大。特别是24O+3n事件，其中一个中子产生干扰并且在分析中没有被识别为这种情况，可以模拟真正的28O衰变。在这种情况下，为了提供所有24O+xn衰变能谱的完整一致描述，作者构建了一个完整的蒙特卡罗模拟。如图3a所示，在24O+4n衰变能谱中，残余干扰事件的贡献在幅度上是相当有限的，而且产生了一个非常宽的分布。
图3. 衰变能谱和衰变过程。
实验结果与理论对比
氧同位素25-28O的实验基态能量总结如图4所示，并与基于手性有效场论（χEFT）和大规模壳模型计算，包括考虑连续效应的计算进行了比较。作者着重于大规模壳模型和耦合簇计算。这两种技术都明确地包括了三种核力，这三种核力在描述富中子核的结构方面起着关键作用，包括氧同位素和Z=8中子滴线的位置。
大规模壳模型计算采用了新的EEdf3相互作用，该相互作用是基于χEFT构建的。由于计算使用包含pf壳层轨道的模型空间，因此可以自然地描述N=20壳层闭合的消失。EEdf3相互作用能够正确预测F、Ne和Na的中子滴线，以及相对低能的29F激发态和中子2p3/2轨道的相对较大占据。EEdf3相互作用包括EFT三核力的效应，对氧同位素的质量趋势提供了合理的描述。然而，如图4所示，它预测的27,28O的能量（约1 MeV）略高于实验结果。计算出的中子pf壳层轨道的占据数之和为28O（27O）为2.5（1.4），1d3/2轨道为2.0（2.1），与N=20壳层闭合的坍塌一致。EEdf3计算表明，28O的基态具有大量包含pf壳层轨道中的中子激发的构型混合，正如预期在IoI核中出现的情况。
图4. 相对于24O的基态能量。
小结
该工作首次观测了极富中子的氧同位素27O和28O。这两个核被发现存在于相对低能的共振态中。这些观测结果是通过一个先进的实验设置实现的，该设置可以直接探测三个和四个中子。从实验角度看，这里展示的多中子衰变光谱学在研究核结合极限之外的其他极富中子系统以及多中子相关性的研究中开辟了新的视角。该工作将27O和28O的测量能量与24O进行比较，并考虑广泛的理论预测，包括两种使用从量子色动力学的有效场论推导出来的核相互作用的方法，结果显示，在几乎所有情况下，理论都对这两个系统的结合能预测偏低。最后，尽管在标准的壳模型中，28O被预期为一个双魔数核（Z=8，N=20），但测量的单质子去除截面与理论进行比较后发现，它与非闭合中子壳层特征是一致的。该研究拓展了对氧同位素的了解。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06352-6
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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