不稳定原子核大多处于核素版图上尚未开发的未知区域，涉及量子多体开放系统的前沿科学问题，也涉及核能系统废料处置对象的许多未知核性质。在原子核的量子态结构中，“幻数”（质子或中子填满某个主壳层的数目）是一个基本概念。近些年，随着大量不稳定核素（放射性核素）的产生，人们发现远离稳定线弱束缚原子核的壳层结构发生了系列演化，观察到原有“幻数消失”和“新幻数”出现等奇特现象，成为当今核物理的重大科学问题。原子核的质量、自旋、磁矩、电四极矩、电荷半径等基本性质物理量，反映了原子核的内在结构和有效相互作用，在核物理、核天体、核能和核技术应用中不可或缺。激光核谱技术是近些年快速发展的能够高效测量不稳定核多个基本性质的关键技术，具有显著的特点和优势，已经在前期丰中子核奇特结构（如晕结构、壳层演化新幻数、奇特形变等）研究中发挥了重要作用。
此前若干研究团队根据部分物理量测量结果提出了丰中子钙区域N= 32的中子“新幻数”。壳模型理论通过张量力效应引起的单粒子壳层演化可以解释这一结构特征。但这一“新幻数”概念在实验和理论方面还存在争议。基于此，杨晓菲牵头与其合作者提出在瑞士欧洲核子研究中心ISOLDE放射性束流装置上利用激光谱技术研究质子幻数钙附近极端丰中子核52K（Z= 21,N= 33）基本性质的实验计划。
图1: (a)共线共振电离谱及β粒子探测系统；(b)利用离子和(c)β探测技术获得的部分超精细结构谱图;(d)52K的超精细结构谱图。
52K核素处于丰中子区，寿命短（110 ms），在ISOLDE装置上的产率仅有约200离子/秒，而伴随它同时产生的稳定杂质核高达106离子/秒以上。针对极低信噪比问题，实验中首次采用了β衰变标记的共线共振电离激光谱实验方法【图1(a)】。此方法利用丰中子52K核素短寿命特征，采用探测激光共振电离的目标核β衰变电子的方法代替了记录电离离子，很大程度避免了杂质核素的干扰【图1(b)(c)】, 实现了对52K及其同位素的超精细结构谱测量【图1(d)】。这也是国际上首次将质子幻数核钙附近电荷半径的测量拓展到N= 32（此前提出的中子“新幻数”）之上。实验结果表明钾同位素的电荷半径在N= 28至33区间连续快速增大，没有表现出N = 32中子幻数特征【图2】。实际上，目前国际上快速发展的多种理论模型 （如基于手征有效场论的ab-initio CC方法和Fayan密度泛函理论）均无法合理地解释电荷半径的实验测量结果【图2】，这是丰中子核区出现的又一奇特现象。此研究揭示出迄今对丰中子原子核基本性质和结构特征的认知还很有限，还需要大量实验和理论的探索和突破。本研究中提出的β衰变标记的共线共振电离激光谱实验新方法可将极端丰中子核基本性质和结构的研究拓展到更远离稳定线的核素区域。
图2：钾同位素的电荷半径实验值与多种原子核理论模型[Fy（Δr, HFB）、NNLOsat、ΔNNLOGO]计算结果的比较。
此项工作于2021年01月28日以“Charge radii of exotic potassium isotopes challenge nuclear theory and the magic character of N = 32”为题，在线发表于《自然·物理》（Nature Physics）杂志上。北京大学物理学院技术物理系和核物理与核技术国家重点实验室杨晓菲研究员与其联合指导的鲁汶大学博士生Á. Koszorús为共同第一作者和共同通讯作者；合作单位包括比利时鲁汶大学、英国曼彻斯特大学、欧洲核子研究中心等。研究工作得到中国科技部重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-020-01136-5
