70Zn中低能增强的磁性质

《Nature》：Magnetic character of the low-energy enhancement in 70Zn

　　

原子核从激发态跃迁到较低能态通常伴随着光子发射。光子发射的概率取决于光子能量以及初态和末态核的性质，被称为光子（或γ射线）强度函数（γSF）^1,2。在γSF呈现的特征中，已在某些原子核中观察到低能区域的增强，但这种增强的电磁性质仍是一个未解之谜^3,4。γSF中的低能增强显著影响研究人员对恒星中元素如何生成以及核结构的理解^5,6。在此，研究人员展示了关于⁷⁰Zn的γSF实验结果，表明该原子核的γSF增强具有磁性质。这一发现有助于解决关于原子核γSF长期悬而未决的问题，并直接影响研究人员在核科学中的预测能力。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

电磁辐射（光子）在原子核过程中产生的部分被称为γ射线。原子核从激发态向低能态跃迁时释放γ射线，其发射概率由γ射线强度函数（γSF）描述。γSF中低能区域出现的增强现象（低能增强，LEE）自1990年代在^56,57Fe中被首次发现以来，已在众多轻、中质量稳定核及部分放射性核中被观测到。这一增强显著影响天体物理过程中中子俘获反应截面的理论预测，进而关系到恒星核合成模型的精确性。然而，超过二十年来，LEE的电磁本质——究竟是电偶极（E1）还是磁偶极（M1）——始终未被实验确认。尽管多项理论研究预测LEE源于M1跃迁，但缺乏直接实验证据。此外，LEE的振幅和形状是否依赖于核结构效应也尚不明确。本研究旨在通过实验确定⁷⁰Zn中LEE的电磁性质，以解决这一长期悬而未决的问题。

**研究内容与结论**

研究人员在美国密歇根州立大学稀有同位素束流装置（Facility for Rare Isotope Beams）上开展实验，利用β衰变核⁷⁰Cu的两种不同自旋宇称态（基态⁷⁰Cu^gs，J^π = 6^?；第二同质异能态⁷⁰Cu^m2，J^π = 1⁺）分别布居⁷⁰Zn的激发态，从中提取γSF。通过对比两种β衰变后得到的γSF形状差异，并结合宇称不对称性分析，研究人员证明⁷⁰Zn中LEE的本质是磁偶极（M1）的。这一发现为长达数十年的核物理开放问题提供了答案，并提升了研究人员预测中子俘获反应截面的能力，对理解恒星核合成及核内核子相互作用具有重要意义。该论文发表在《Nature》。

**主要关键技术方法**

1. **β衰变选择布居**：利用⁷⁰Cu的两种不同自旋宇称态（6^?和1⁺）通过允许的Gamow-Tellerβ衰变分别布居⁷⁰Zn中不同自旋宇称范围的激发态（5^?-7^?和0⁺-2⁺），从而获得两份可对比的γSF数据。
2. **γSF提取方法组合**：同时采用形状法（shape method，模型无关地提取γSF能量依赖形状）和β-Oslo法（扩展γSF能量范围）处理同一数据集，利用形状法确定的模型无关斜率对β-Oslo法结果进行归一化。
3. **同质异能态分离与纯度分析**：在低能束流与离子阱（LEBIT）装置中，通过靶向偶极激发将不需要的自旋宇称态驱离，实现⁷⁰Cu^m2和⁷⁰Cu^gs的分离；利用飞行时间离子回旋共振质谱法量化束流中各态比例。
4. **总吸收谱测量**：使用SuN++分段式总吸收谱仪和双面硅条探测器（DSSD）记录β延迟γ射线，构建激发能标记的γ射线矩阵，用于后续谱分析。
5. **宇称不对称性修正**：基于Gogny+Hartree–Fock–Bogoliubov理论计算的核能级密度（NLD）及离散能级数据，确定⁷⁰Zn中负宇称态与正宇称态的比例随激发能的变化，进而计算E1强度抑制因子，用于解释两种γSF的形状差异。

**研究结果**

**γSF的比较与宇称不对称性**

图1展示了从⁷⁰Cu^m2和⁷⁰Cu^gsβ衰变提取的两条γSF。在低能区（E_γ < 3 MeV），两者形状存在显著差异：来自6^?态（⁷⁰Cu^gs）的γSF在低能处保持增强，而来自1⁺态（⁷⁰Cu^m2）的γSF在低能处相对较弱。研究人员解释，这种差异源于两种β衰变布居的⁷⁰Zn激发态自旋宇称范围不同，以及⁷⁰Zn中低能态宇称分布的极不对称性——低于3 MeV时只有两个负宇称态，且几乎全为正宇称态。

图2c展示了不同自旋范围（J = 0–3对应⁷⁰Cu^m2，J = 4–8对应⁷⁰Cu^gs）下负宇称态与正宇称态比例随激发能的变化。对于⁷⁰Cu^m2布居的低自旋正宇称态，由于低能区缺乏负宇称末态，E1跃迁受到强烈抑制；而M1跃迁不受影响。因此，从⁷⁰Cu^m2β衰变提取的γSF中E1成分被压低，而M1成分（包括M1型的LEE）得以显现。

**成分分解与LEE的M1性质确认**

图3展示了研究人员对⁷⁰Cu^gs数据进行的γSF成分拟合：包含E1、M1（非指数部分）以及指数形式的M1 LEE。将E1成分施加宇称不对称性导致的抑制因子后，得到的总γSF（抑制后的E1 + M1 + M1 LEE）与⁷⁰Cu^m2的实验数据精确吻合。而未经抑制的标准E1 + M1 + M1 LEE则与⁷⁰Cu^gs数据一致。这一结果表明，两种β衰变γSF的形状差异完全可以用E1强度受宇称不对称性抑制以及存在M1指数型LEE来解释。因此，实验数据确认LEE本质上为M1类型。

**总结讨论与结论**

该研究通过巧妙利用不同自旋宇称的β衰变布居，结合宇称不对称性定量分析，首次实验证明⁷⁰Zn中低能增强（LEE）的磁偶极（M1）性质。这一发现解决了核物理领域一个长期悬而未决的问题。随着LEE本质的确立，未来的研究可聚焦于LEE振幅和形状如何依赖于核结构、如何预测其行为以及其与广义Brink–Axel假说的关系。理解LEE的性质将提升研究人员预测天体物理环境中子俘获反应速率的能力，并有助于解析恒星核合成的复杂图景以及原子核内核子的相互作用。

**研究结论部分翻译**：对⁷⁰Zn中LEE为M1性质的确定，揭示了关于核内γ射线性质的一个长期未解之谜。随着LEE的本质在⁷⁰Zn中最终被完全确立，研究人员可以将工作重点转向解决γSF中其余问题，例如LEE的振幅和形状如何依赖于核结构？如何预测这种行为？它与广义Brink–Axel假说有何关联？理解LEE的本质将提升研究人员预测天体物理环境中中子俘获反应速率的能力，并将有助于开始解析恒星核合成的复杂图景以及理解原子核内核子的复杂相互作用。