发现三质子发射原子核铝-20

以下文章来源于中国科学院近代物理研究所，作者放射性束物理室

中国科学院近代物理研究所科研人员与合作者在原子核的奇特衰变研究领域取得重要进展，首次在实验上观测到新核素铝-20，并发现其通过稀有的三质子发射模式进行衰变。相关成果于7月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

目前，人们已经发现了3300多种核素，其中不足300种是自然界中天然存在的稳定核素，其余均为不稳定核素，会发生放射性衰变。常见的衰变模式有α衰变、β-衰变、β+衰变、电子俘获（EC）、γ跃迁以及裂变等，这些衰变模式在20世纪中叶前已被发现。

图基于国际原子质量评估AME2020与原子核基本性质实验数据评估NUBASE2020设计的核素图。每个方块代表一种核素，颜色代表核素的衰变类型。图源|取自文献罗胤芳等，原子核物理评论，第40卷，第1期：121 - 139 (2023)

近半个多世纪以来，随着核物理实验装置与探测技术的发展，科学家们在远离稳定线的原子核（特别是缺中子核）的衰变研究中陆续发现了多种新的衰变模式。

上世纪七十年代，科研人员首次观测到原子核自发地放射出质子的衰变现象，即单质子放射性。进入二十一世纪后，又发现了极缺中子原子核同时放射出两个质子的奇特衰变模式，即双质子放射性。近年来，实验上又相继观测到三质子、四质子乃至五质子发射等更为稀有的衰变现象。这些奇特衰变模式为研究远离稳定线原子核的结构提供了重要的谱学手段。

图实验上观测到的一个铁-45双质子衰变事例。铁-45离子从左侧进入探测器，右边两条短的明亮的径迹是衰变后质子的径迹。图源|取自文献K. Miernik et al.,PhysicalReview Letters,99,192501 (2007)

本研究中，科研人员基于德国亥姆霍兹重离子研究中心的碎片分离器装置，利用飞行中衰变实验技术测量了铝-20衰变产物（即三个质子与剩余核氖-17）的角关联，首次观测到新核素铝-20的三质子发射现象。铝-20位于质子滴线外，比自然界稳定存在的铝同位素少7个中子，是迄今实验上发现的最轻的铝同位素。

进一步的研究表明，铝-20基态通过级联的质子—双质子发射的两步过程进行衰变。作为中间态的镁-19基态具有双质子放射性，它通过同时发射两个质子衰变为氖-17。铝-20是实验上发现的首例具有“子核”双质子放射性的三质子发射核。

图铝-20三质子发射示意图。图|徐晓栋

研究团队利用伽莫夫壳模型和伽莫夫耦合道方法开展了理论计算，合理地再现了实验上测得的铝-20衰变能，预言了其基态自旋宇称，由此深入研究了铝-20与其镜像核氮-20间的同位旋对称性。

同位旋对称性是核物理中的一个基本原理。根据该对称性，具有相同质量数但质子数与中子数互换的镜像原子核，其能级结构应该相同，即表现为相同的自旋宇称与相近的激发能。此对称性在多数原子核体系中近似成立，因此其破缺现象对核结构研究具有重要价值。研究表明，在铝-20与氮-20这对镜像核体系中存在同位旋对称性破缺。

该研究深化了人们对质子发射现象的认识，对寻找原子核存在极限和理解质子滴线外原子核的结构与衰变具有重要意义。

该工作由中国科学院近代物理研究所联合德国亥姆霍兹重离子研究中心、复旦大学等国内外多家科研机构的研究人员合作完成。论文第一作者为近代物理所副研究员徐晓栋。

研究得到了国家重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金等项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/hkmy-yfdk