首次测量裸核双光子衰变：锗-72实验的突破性发现

核衰变过程的研究对于理解原子核的复杂运作至关重要。在这些过程中，双光子或双伽马(2γ)衰变尤为引人注目。这种二阶电磁过程涉及处于激发态的原子核同时发射两个伽马射线。

然而问题在于，这种衰变极其罕见，难以直接测量。最近，发表在《物理评论快报》上的一项研究，首次测量了锗-72中的孤立核双光子衰变，为在特定条件下原子核的行为提供了新的见解。

双光子衰变之谜

想象一个被激发的原子核，充满了之前相互作用产生的能量。在典型的衰变中，这种能量会以单个γ射线（高能光包）的形式释放出来。然而，在罕见的双光子衰变情况下，原子核会采取不同的途径。它会先经历一个虚拟跃迁，暂时从周围的真空借取能量，来创造一对带相反电荷的粒子——正负电子对。正负电子对的存在并不长久，它们随后会相互湮灭，以同时发射两种伽马射线的形式释放能量。

这种过程的罕见性源于电子-正电子对的虚拟性质。它们的产生和湮灭发生得如此之快，以至于无法直接观察。此外，发射γ射线的能量受到电子-正电子对质量的限制，将衰变限制在激发态原子核能量低于特定阈值的条件下。

锗-72实验

研究团队精心设计了他们的实验，以克服这些挑战并直接测量锗-72中的双光子衰变率。他们采用了独特的技术组合。首先，他们使用了一个储存环，一种粒子加速器，它将离子限制在一个圆形路径中。这使他们能够分离锗-72原子核并在受控环境中研究它们。

接下来，他们在储存环内利用了一种称为“等时模式”的特殊操作模式。这种模式确保了所有的离子，不管它们的能量如何，都以相同的速度在环上运动。最后，他们加入了肖特基共振腔，一种可以与离子相互作用并操纵其能级的专用设备。

这种设置使研究人员能够创造一种场景，在这种场景下，激发态锗-72原子被“剥夺”了电子，只剩下裸露的原子核。这一关键步骤消除了原子轨道内电子-正电子对产生的可能性，从而使孤立的核双光子衰变得以发生。

实验结果

实验取得了令人瞩目的结果。研究人员确定了裸锗-72原子核中第一个激发态的孤立核双光子衰变半衰期约为23.9毫秒。该值与现有理论模型预测的值存在偏差

这一意外结果引起了核物理学界的极大兴奋。它表明我们目前对双光子衰变过程的理解可能是不完整的。需要进一步研究以完善理论模型并解释观察到的差异。

探索原子核的意义

这一实验的发现对核物理学有几项重要意义。首先，它们提供了对双光子衰变过程及其对核结构和环境条件依赖性的更深入理解。其次，能够在裸核中测量这种衰变为研究其他以前无法接触的稀有核过程开辟了新途径。

此外，为这一实验开发的技术可以应用于其他同质异能体和核，可能导致新现象的发现和现有核模型的改进。观察到的理论预测偏差也强调了需要进一步的理论和实验工作，以完全理解2γ衰变的基本机制。