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近代物理所CSR原子核质量精确测量获进展,上海

发布时间:2019-07-06 08:37编辑:www.599588.com浏览(125)

    中国科学院近代物理研究所质量测量团队利用兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)装置,首次测量了短寿命核素52Co及其同核异能态的质量,并结合已有数据重新构建了52Ni的β衰变纲图,在原子核质量精确测量研究中取得又一重要成果。

    近日,中国原子能科学研究院核物理研究所与中国科学院近代物理研究所、中国科学院上海应用物理研究所和北京大学联合组成的研究小组,利用兰州重离子研究装置放射性束流线1号线,开展了滴线核22Si和20Mg以及附近核的β延迟衰变谱学的研究。

    近日,中国科学院上海应用物理所核物理研究室与中科院近代物理研究所、中国原子能科学院等合作,在兰州重离子加速器装置放射性束流线上开展的丰质子核β缓发衰变实验测量中,观测到22Mg在14.044 MeV的同位旋相似态存在明确的2He集团双质子发射现象。相关研究成果发表在《物理快报B》上。 放射性是不稳定原子核的重要特性之一。常见的衰变方式有α、β、γ衰变等,而双质子放射性是在质子滴线附近的偶Z核中可能存在的一种奇特衰变方式,即原子核通过同时发射两个质子的方式进行衰变。双质子发射涉及两个质子的关联与相互作用,发射方式比单个质子的发射过程要复杂得多,因此研究十分困难,而发射机制是该衰变方式中最重要的物理问题之一。双质子发射的机制可以分为三种:第一种为级联发射;第二种为直接三体发射;第三种为2He集团发射。前两种方式基本上是无关联的质子发射过程,后一种方式才是人们感兴趣的双质子发射。由于发射出的两个质子间的动量和角度关联包含了核子波函数的具体形态及核子间的相互作用等信息,因而对核结构的研究具有非常重要的科学意义。目前发现的双质子发射核只有少数几个,这给双质子衰变的系统研究带来了很大的困难。世界上各个国家的核物理实验室都在努力发现更多的双质子发射核,并对包括双质子衰变在内的原子核的奇异放射性进行深入系统的实验及理论研究。 上海应物所研究员方德清、博士研究生王玉廷等在兰州重离子加速器装置的放射性次级束流线上开展了22Al的β缓发衰变实验测量。22Al被注入厚度约为60微米的硅微条探测器时,完全被阻止在硅微条探测器中的22Al先发生β衰变,布局到22Mg的激发态,处于激发态的22Mg将再发生质子、双质子或g等衰变。实验中,探测器阵列同时测量了衰变发射出的单个或两个质子以及g射线。实验测得的带电粒子能量信号与g射线信号的符合,确认了22Mg存在从14.044MeV激发态到20Ne的第一激发态的双质子发射过程。进一步的理论模拟与实验数据比较得出,上述双质子发射过程的机制有约29%的几率为2He集团发射。 关于22Mg的激发态双质子发射现象,上海应物所马余刚团队曾在2015年通过日本理化学研究所的RIPS束线实验测量已明确观测到在包含14.044 MeV态的较大激发能范围内(12.5~18MeV),存在约30%的2He集团发射机制(Physics Letters B 743, 306 。此次在RIBLL上开展的实验得到的结论与其结果一致,但由于RIBLL上的实验数据中有发射的两质子能量与g射线的符合,完全确定了该双质子发射是从22Mg的14.044 MeV激发态到20Ne第一激发态的衰变过程。该实验测量结果提供了22Mg的IAS存在稀有的2He集团双质子发射的实验证据,对理解丰质子核的奇异衰变性质具有重要意义。 该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委“重离子物理”创新研究群体等项目的共同资助。 论文链接

    同位旋相似态(Isobaric Analog State,IAS)指的是自旋、宇称及同位旋量子数都相同,仅同位旋第三分量不同的一系列原子核,是核物理中非常重要的一个概念。同位旋相似态的性质在原子核结构、同位旋对称性、CKM矩阵幺正性检验以及核天体物理等研究领域都有重要应用。

    远离稳定线原子核的衰变研究可为核内有效相互作用与基本对称性、奇特核结构与奇特衰变以及天体核合成等关键问题提供重要的信息,是人们对原子核稳定存在极限的一种探索。22Si和20Mg是N=8的丰质子滴线核,衰变谱学研究是新近的热点。对于20Mg,其β延迟质子(βp)衰变与核天体关键反应19Ne(p, γ)20Na密切相关,国际上研究较多,但尚无定论。对于22Si,其Tz= -3,即质子比中子多6个,十分罕见,仅有法国GANIL开展了初步的衰变谱学研究。

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    已有的实验数据表明,A=52、T=2的同位旋相似态与量子力学微扰理论框架下得到的同位旋多重态质量公式(Isospin Multiplet Mass Equation,IMME)具有明显差异。这一奇特现象引起了核物理学家的广泛关注。为厘清这一问题,需要建立完整的52Niβ衰变纲图,因此必须精确测量52Co基态及其同核异能态的质量。

    实验由扇聚焦回旋加速器SFC作注入器,大型分离扇加速器SSC提供能量为75.8 MeV/u,流强为37 enA的28Si14 初级束流,轰击9Be初级靶产生弹核碎裂反应,产物经RIBLL1以–ΔE方式分离和纯化,利用–ΔE–ToF方法鉴别次级束流粒子。在连续束模式下,将目标核注入150 μm和60 μm的两块薄的双面硅条探测器,周围环绕四分硅探测器和Clover型γ探测器组成的阵列,实现轻、重离子,β粒子和γ射线的符合测量,通过位置、时间和能量等信息,严格挑选稀有的衰变事件。实验探测器阵列如图1所示。

    近代物理所科研人员首次运用CSRe直线段上的狭缝限制了储存环中离子的发射度,使等时性质量谱仪的分辨能力提高了两倍,从而在飞行时间谱上清楚地区分了52Co的基态及其同核异能态。实验测得52Co同核异能态的激发能仅为387keV,其质量相对精度σm/m达到了1.6*10-7,是目前国际同类装置测量的最高水平。

    该实验的创新点如下:

    利用精确测量的质量数据,研究人员重新构建了52Niβ衰变纲图,重新指认了52Co中T=2的同位旋相似态,发现IMME公式依然能够描述A=52、T=2的同位旋相似态。研究人员结合壳模型计算,发现52Co的T=2 同位旋相似态中同位旋混合程度极低,因此其主要通过γ跃迁退激,而通过质子发射到51Fe基态衰变道几乎可以忽略。这一发现进一步丰富了人们对于β衰变及同位旋相似态的认识,并指出了在β缓发质子谱研究中普遍使用了50年之久的同位旋相似态指认规则的局限性。这项成果具有广泛的应用前景。

    1)在探测技术方面,研发了一套基于印刷电路板构架的硅探测器阵列,提高了系统的信噪比;以两块薄硅作为注入探测器,有效抑制了β衰变叠加的影响。探测装置分辨好、效率高,能量探测阈低至150 keV,对稀有衰变事件有极强的鉴别能力,性能达到国际先进水平。

    此项研究得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金委和中科院西部之光项目的支持。该研究成果在国际物理学期刊《物理评论快报》发表。

    2)在20Mg的研究中,观察到一个新的βp衰变分支,利用pγ符合构建了较完整的衰变纲图,确定了20Mg半衰期为90.0 ± 0.6 ms,是目前精度最高的数据。

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    3)对于极丰质子核22Si,实验观察到若干新的βp衰变分支,第一次发现其具有β延迟双质子(β2p)衰变模式。利用库仑置换能关系,首次给出22Si基态质量的实验数据。22Si的β延迟质子衰变能谱如图2所示。

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    对20Mg衰变谱学的研究,确证了20Mg和20O镜像核衰变的不对称性,为揭示同位旋对称性的破缺提供了实验素材,进一步约束了核内有效相互作用参数的选择。对22Si衰变谱学的研究,首次观察到其具有β延迟双质子发射,这是第一次在亚洲国家实验室发现的具有β2p衰变的核素;首次从实验上确定了基态质量,表明它是一个非常临界的基态双质子发射核。上述成果深化了人们对丰质子滴线核性质的理解以及对核素存在边界的认知。

    图:实验中得到的回旋周期谱

    研究成果在Phys. Lett. B 766, 312 和Phys. Rev. C 95, 014314 上发表。

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    图1 探测器阵列示意图

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    图2 22Si的β延迟质子衰变能谱(红色标记为实验新发现的衰变分支)

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