直接挑战我们对核力的理解：科学家发现有史以来最强的同位旋混合

诸平

Fig. 1 Isospin mixing is a concept in nuclear physics that refers to the symmetry in atomic nuclei induced by the nearly identical properties between protons and neutrons.

Fig. 2 β-delayed two-proton decay of phosphorus-26. Credit: Jian Hao

据《科技日报》（SciTechDaily）网站2023年1月21日报道，中国科学院近代物理研究所（Chinese Academy of Sciences’ Institute of Modern Physics）的研究人员及其合作者，确定了在β衰变实验中观察到的最显著的同位旋混合（isospin mixing），这直接挑战了我们目前对核力的理解（Directly Challenging Our Understanding of Nuclear Force: Scientists Discover Strongest Isospin Mixing Ever Observed）。同位旋混合是核物理学中的一个概念，指的是由质子和中子之间几乎相同的特性引起的原子核对称性。相关研究结果于2022年12月8日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——J. J. Liu (刘嘉健), X. X. Xu (徐新星), L. J. Sun (孙立杰), C. X. Yuan (袁岑溪), K. Kaneko (金子和也), Y. Sun (孙扬), P. F. Liang (梁鹏飞), H. Y. Wu (吴鸿毅), G. Z. Shi (石国柱), C. J. Lin (林承键), J. Lee (李晓菁), S. M. Wang (王思敏), C. Qi (亓冲), J. G. Li (李健国), H. H. Li (李红蕙), Latsamy Xayavong, Z. H. Li (李智焕), P. J. Li (李朋杰), Y. Y. Yang (杨彦云), H. Jian (简豪), Y. F. Gao (高雨枫), R. Fan (范锐), S. X. Zha (查思贤), F. C. Dai (戴凡超), H. F. Zhu (朱浩钒), J. H. Li (李金海), Z. F. Chang (常志芳), S. L. Qin (覃淑炼), Z. Z. Zhang (张朝展), B. S. Cai (蔡博帅), R. F. Chen (陈若富), J. S. Wang (王建松), D. X. Wang (王东玺), K. Wang (王康), F. F. Duan (段芳芳), Y. H. Lam (蓝乙华), P. Ma (马朋), Z. H. Gao (高志浩), Q. Hu (胡强), Z. Bai (白真), J. B. Ma (马军兵), J. G. Wang (王建国), C. G. Wu (武晨光), D. W. Luo (罗迪雯), Y. Jiang (蒋颖), Y. Liu (刘洋), D. S. Hou (侯东升), R. Li (李忍), N. R. Ma (马南茹), W. H. Ma (马维虎), G. M. Yu (余功明), D. Patel, S. Y. Jin (金树亚), Y. F. Wang (王煜峰), Y. C. Yu (余悦超), L. Y. Hu (胡力元), X. Wang (王翔), H. L. Zang (臧宏亮), K. L. Wang (王凯龙), B. Ding (丁兵), Q. Q. Zhao (赵青青), L. Yang (杨磊), P. W. Wen (温培威), F. Yang (杨峰), H. M. Jia (贾会明), G. L. Zhang (张高龙), M. Pan (潘敏), X. Y. Wang (汪小雨), H. H. Sun (孙浩瀚), H. S. Xu (徐瑚珊), X. H. Zhou (周小红), Y. H. Zhang (张玉虎), Z. G. Hu (胡正国), M. Wang (王猛), M. L. Liu (柳敏良), H. J. Ong (王惠仁), W. Q. Yang (杨维青) (RIBLL Collaboration). Observation of a Strongly Isospin-Mixed Doublet in ²⁶Si via β-Delayed Two-Proton Decay of ²⁶P. Physical Review Letters, Published 8 December 2022,  129: 242502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.242502. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.242502

参与此项研究的有来自中国的单位包括中国科学院（兰州）近代物理研究所（Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, China）、香港大学（The University of Hong Kong, China）、中国原子能科学研究院（China Institute of Atomic Energy, Beijing, China）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）、广东惠州先进能源科学技术广东省实验室（Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory, Huizhou, China）、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University, China）、广东珠海中山大学中法核工程与技术研究所（Sino-French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-Sen University, Zhuhai, China）、北京大学（Peking University, Beijing, China）、广西师范大学（Guangxi Normal University, Guilin, China）、复旦大学（Fudan University, Shanghai, China）、上海理论核物理研究中心（Shanghai Research Center for Theoretical Nuclear Physics, NSFC and Fudan University, Shanghai, China）、浙江湖州学院（Huzhou University, Zhejiang, China）、中科院上海应用物理研究所（Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China）、兰州大学（Lanzhou University, China）、哈尔滨工程大学（Harbin Engineering University, China）、云南大学（Yunnan University, Kunming, China）、北京航空航天大学（Beihang University, Beijing, China）；日本九州产业大学（Kyushu Sangyo University, Fukuoka, Japan）、日本大阪大学（Osaka University, Japan）；美国密歇根州立大学（Michigan State University, East Lansing, Michigan, USA）、瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden）、老挝国立大学（National University of Laos, Vientiane, Laos）以及印度萨达尔·瓦拉拉巴伊国家理工学院（Sardar Vallabhbhai National Institute of Technology, Surat, India）的研究人员。

1932年，诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡 (Werner Karl Heisenberg , The Nobel Prize in Physics 1932) 引入同位旋的概念来解释由于质子和中子的相似性质而导致的原子核对称性。同位旋对称性（Isospin symmetry）至今仍被广泛接受。

然而，由于质子-中子质量差异、库仑相互作用和核力的电荷相关方面，同位旋对称性并不严格守恒。这种不对称性导致允许的费米跃迁（Fermi transition）通过强同位旋混合分裂到许多状态，而不是在 β衰变中被限制在一个状态。

探测同位旋混合在科学发现中获得了相当大的吸引力。富质子核（proton-rich nuclei）的β衰变在探索同位旋混合中起着至关重要的作用。到目前为止，同位旋混合仅在几个β衰变实验中观察到，同位旋混合矩阵元素小于50 keV，这可以用核模型很好地描述。

IMP的科学家及其合作者提供了有关同位旋混合的新数据。他们在中国兰州放射性离子束线（Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou）上对外来核磷 26（²⁶P）进行了β衰变实验，该束线位于兰州升沉离子研究设施(Heave Ion Research Facility of Lanzhou)内。

通过β-延迟双质子发射的高精度核谱，科学家们清楚地识别出硅26(²⁶Si)中13055 keV的同质异位素相似态（isobaric analog state简称IAS）和13380 keV和11912 keV的两个新的高位态（high-lying states）。他们测量了从²⁶Si激发态发射的两个质子的角度相关性，表明这两个质子主要是按顺序发射的。

令人惊讶的是，科学家们在²⁶Si中观察到了强同位旋混合双峰、IAS和13380-keV态。确定了两种状态之间的大同位旋混合矩阵元素130(21) keV，代表在 β 衰变实验中观察到的最强混合。

核模型无法很好地解释意想不到的实验结果。该论文的通讯作者、IMP的 徐新星（Xu Xinxing， X. X. Xu）教授说：“这项工作中异常强烈的同位旋混合，可能与弱束缚（或连续体）效应或核变形有关，对我们对核力的理解提出了直接挑战。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

β decay of proton-rich nuclei plays an important role in exploring isospin mixing. The β decay of ²⁶P at the proton drip line is studied using double-sided silicon strip detectors operating in conjunction with high-purity germanium detectors. The T=2 isobaric analog state (IAS) at 13 055 keV and two new high-lying states at 13 380 and 11 912 keV in ²⁶Si are unambiguously identified through β-delayed two-proton emission (β2p). Angular correlations of two protons emitted from ²⁶Si excited states populated by ²⁶P β decay are measured, which suggests that the two protons are emitted mainly sequentially. We report the first observation of a strongly isospin-mixed doublet that deexcites mainly via two-proton decay. The isospin mixing matrix element between the ²⁶Si IAS and the nearby 13 380-keV state is determined to be 130(21) keV, and this result represents the strongest mixing, highest excitation energy, and largest level spacing of a doublet ever observed in β-decay experiments.