北京大學(xué)聯(lián)合中國科學(xué)院近代物理研究所、湖州大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、日本北見工業(yè)大學(xué)和日本北海道大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)依托大科學(xué)裝置蘭州重離子加速器(HIRFL),通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)觀測和分析,發(fā)現(xiàn)了豐中子核16C中的線性鏈狀分子結(jié)構(gòu),在不穩(wěn)定原子核奇特結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展。
近20多年來,不穩(wěn)定原子核在實(shí)驗(yàn)室中逐步產(chǎn)生,這些原子核表現(xiàn)出一系列新奇的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì),也帶來新的應(yīng)用前景。關(guān)于豐中子原子核的奇異線性鏈狀分子結(jié)構(gòu)的理論預(yù)言已有多年,但通過實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)卻十分困難,因它需用多種證據(jù)相互印證。此前多個(gè)實(shí)驗(yàn)組在14C中觀察到鏈狀分子態(tài)的個(gè)別證據(jù)。
研究人員利用HIRFL上的每核子23.5 MeV的16C次級束流(圖1),通過非彈性散射將16C激發(fā)到集團(tuán)破裂閾值之上的高激發(fā)態(tài),采用精密的零度粒子望遠(yuǎn)鏡和多套大角度的探測器組合,精確測量三個(gè)末態(tài)粒子。通過全粒子能動(dòng)量守恒關(guān)系逐事件推知入射粒子能量,首次在彈核碎裂型次級束實(shí)驗(yàn)中得到分辨率高的Q值譜,清晰識別出16C的選擇性衰變路徑。在分析過程中,采用特殊方法區(qū)分相鄰硅微條信號的真假來源,極大提高了多重關(guān)聯(lián)真實(shí)事件數(shù)。通過模型獨(dú)立的角關(guān)聯(lián)分析獲得了分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶頭號成員的自旋。實(shí)驗(yàn)完整地確認(rèn)了價(jià)中子處于π2σ2構(gòu)型的正宇稱線性鏈狀分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶的四個(gè)成員:16.5 MeV(0+)、17.3 MeV(2+)、19.4 MeV(4+)和21.6 MeV(6+)(圖2),完成了該結(jié)構(gòu)研究的一項(xiàng)跨越。此外,還觀察到一個(gè)可能的純?chǔ)?/span>4構(gòu)型分子態(tài)(27.2 MeV),為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了指引方向。
相關(guān)成果以“16C正宇稱線性鏈狀分子轉(zhuǎn)動(dòng)帶(Positive-parity linear-chain molecular band in 16C)”為題,于2020年5月12日在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上在線發(fā)表。論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.192501。
圖1 大科學(xué)裝置蘭州重離子加速器(HIRFL)上采用的多粒子關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)探測系統(tǒng)

圖2 16C的線性鏈狀分子帶成員的構(gòu)型及其選擇性衰變示意圖
<蘭州重離子提供>