▲第一作者：Y. Kondo
通讯作者：Y. Kondo
通讯单位：日本东京工业大学，日本理化学研究所仁科中心
论文doi：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6
01
背景介绍
将物理系统置于极端条件下可以更好地理解和更深入地了解其组织和结构。以原子核为例，其中一种方法是研究与稳定原子核相比，中子与质子(N/Z)比率非常不同的同位素。轻的、富含中子的同位素表现出最不对称的N/Z比，而那些超出结合极限的同位素，经历自发中子发射，只以非常短的共振(约10−21秒)存在，为现代核结构理论提供了最严格的测试。
02
本文亮点
1.本工作报道了28O和27O分别衰变成24O和4、3个中子的首次观测结果。28O原子核令人感兴趣，因为它具有Z=8和N=20幻数，在核结构的标准壳模型图中，它被认为是少数所谓的"双重幻数"原子核之一。
2.本文发现27O和28O都是以窄的、低能的共振形式存在，并将它们的衰变能与复杂的理论模拟结果进行了比较，包括大规模的壳模型计算和新发展的统计方法。
3.在这两种情况下，潜在的原子核相互作用都来源于量子色动力学的有效场理论。最后，从图中可以看出，由29F光束产生28O的截面与它没有表现出闭合的N=20壳层结构是一致的。
03
图文解析
▲图1. 核素图和壳结构
要点：
1、由于强大的核力，原子核仍然被束缚在比质子多得多的中子的加和中，并且在轻的、富中子的原子核中发现了最极端的N/Z不对称性(图1a)。在这里，超出了核束缚的极限- -所谓的中子滴线- -核可以作为极短寿命的(约10~21 s)共振存在，通过自发辐射衰减，其能量和寿命依赖于系统的底层结构。
2、N=20壳层闭合早已为人所知，然而，在富含中子的Ne、Na和Mg(Z=10-12)同位素中消失。这个区域被称为"反转岛"(IoI)，中子sd-壳层和pf-壳层轨道之间的能隙不是很明显(图1b)，而是减弱甚至消失了，中子激发到pf-壳层轨道的组态主导了这些原子核的基态(gs)，如图1c所示。
3、本研究的重点是寻找高能反应中产生的O，通过直接探测它们的衰变产物- 24O和三个或四个中子。这项工作取得成功的关键是RIKEN RI束流工厂能够产生与厚的、有源的液氢靶系统和高性能多中子探测阵列耦合的强中子滴线束。
▲图2. 衰变能谱和衰变纲图
要点：
1、在分析中，衰变中子按24O和ni之间的两体相对能量E0i的升序排列分别记为n1， n2，…，使得E01图2d)。由测量得到的5个衰变粒子的动量矢量重建得到的28O衰变能E01234如图2a所示。
2、在约0.5 MeV处观察到一个明显的窄峰，可能是28O的基态。由于小部分串扰事件无法通过拒绝程序消除，因此必须小心理解它们对E01234频谱的贡献。特别是24O+3n事件，其中一个中子产生串扰，在分析中没有被识别为串扰，可以模拟真实的28O衰变。
3、在此背景下，为了对所有的24O+xn衰变能谱提供完整和一致的描述，构建了一个完整的蒙特卡罗模拟。如图2a所示，在24O+4n衰变能谱中，残余串扰事件的贡献在量级上是相当有限的，而且产生了非常宽的分布。
4、特别地，由24O+4n数据重建了三体(24O+n1+n2)部分衰变能E012。相应的光谱显示出一个来自26Ogs的尖锐的阈值峰，已知其衰变能仅为18(5)keV。如图2e中箭头A和B所示，这个观测清楚地表明28O依次衰变到26Ogs。
▲图3. 相对于24O的基态能量
要点：
1、图3总结了氧同位素25-28O的实验基态能量，并与基于手征有效场理论(χEFT)的理论计算和包含连续介质效应的大尺度壳模型计算进行了比较。
2、本工作主要关注大规模壳模型和耦合簇计算，其中耦合簇计算使用了一种新的统计方法进行了扩展。这两种技术都包含了明确的三核子力，已知三核子力在描述富中子核的结构中起着关键作用，包括氧同位素和Z=8中子滴线在24O处的位置。
3、值得注意的是，EEdf3计算预测了sd-闭壳层构型的29F基态波函数的混合仅有12%。因此，即使将28O中的中子限制在sd壳层中，也只能得到0.13的光谱因子。由此得出结论，如在29F中，pf-壳层中子构型在28O中起主要作用，N=20壳层闭合消失。因此，IoI延伸到28O，并不是双幻核。
04
结语
总之，本文报道了首次观测到的极富中子的氧同位素27,28O，发现这两个核都是以相对低洼的共振态存在。这些观测是使用允许直接探测三个和四个中子的最先进的装置实现的。从实验的角度来看，本文所展示的多中子衰变谱学为研究位于中子滴线之外的其他极端丰中子系统以及多中子关联的研究开辟了新的视角。将27,28O相对于24O的测量能量与广泛的理论预言进行比较，包括两种利用量子色动力学有效场理论导出的核相互作用的方法，表明在几乎所有情况下，理论都低于这两个系统。统计耦合簇计算表明，27,28O的能量可以为这种从头算方法提供有价值的约束，特别是所使用的相互作用。最后，虽然标准壳模型图中28O预期为双幻核(Z=8,N=20)，但这里测量的单光子移除截面与理论相比，发现与它不具有闭合中子壳性质是一致的。这一结果表明，IoI超出28,29F进入氧同位素。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06352-6
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