一项由美国橡树岭国家实验室进行的新研究揭示了原子核形状变化中的意外发现。这一出人意料的发现可能会影响我们对于原子核内部保持稳定的力量、质子和中子相互作用以及元素形成的理解。该研究由能源部橡树岭国家实验室的Timothy Gray带领。他是一位核物理学家，“我们使用放射性激发态的钠-32核来测试我们对远离稳定态的原子核形状的理解，并发现了一个出人意料的结果，这引发了有关原子核形状演化方式的问题。”这些结果最近发表在《物理评论快报》杂志上。

原子核形状的微妙差别

随着时间的推移，原子核的形状和能量可能在不同构型之间变化。通常，原子核作为量子实体存在，其形状要么是球形的，要么是变形的。前者看起来像篮球，而后者则类似于美式足球。

能量水平与形状之间的关系是科学界一个重要的未解之谜。对于那些缺乏实验数据的区域，原子核结构模型难以进行外推。

对于一些异性放射性核来说，传统模型预测的形状与实际观察到的形状相反。原本预期为球形基态（最低能量构型）的放射性核，结果却是变形的。

量子状态的逆转及其谜团

是什么导致量子状态发生逆转呢？

原则上，激发的变形态的能量可以降低到低于球形基态的能量，使得球形成为高能量形态。出乎意料的是，当中子和质子之间的比例失衡时，一些异性核似乎正在发生这种角色逆转。然而，逆转后的球形激发态却从未被发现。就好像一旦基态变形，所有的激发态也都会变形。

存在许多具有球形基态和变形激发态的核示例。同样，许多核具有变形基态和后续变形的激发态，有时变形的程度或类型不同。然而，既有变形基态又有球形激发态的核却相当罕见。

深入挖掘数据

利用2022年在密歇根州立大学的稀有同位素束设施（FRIB）所收集的数据，格雷的团队发现了一种具有异常长寿命的钠-32放射性核的激发态。新观察到的激发态具有24微秒的非常长的寿命，约为典型核激发态的一百万倍。

寿命长的激发态被称为异构体。长寿命表明了一些出人意料的情况。例如，如果激发态是球形的，那么返回到变形基态可能存在困难，这可以解释其长寿命。

这项研究涉及20所大学和国家实验室的66名参与者。共同负责的调查员来自劳伦斯伯克利国家实验室、佛罗里达州立大学、密西西比州立大学、田纳西大学诺克斯维尔分校和橡树岭国家实验室。

实验设置

生成2023年结果所使用的2022年实验采用了FRIB衰变站启动器（FDSi），这是一个模块化的多探测器系统，对稀有同位素衰变特征非常敏感。

“FDSi的多功能探测器组合显示，钠-32的长寿命激发态在FRIB束流中被传递，并通过发射伽马射线内部衰变到同一核素的基态，”ORNL的Mitch Allmond说道，他是该论文的合著者，也是FDSi项目的负责人。

为了停止FRIB的高能放射性束流，该束流以光速的50%左右行进，UT Knoxville建造的植入探测器被放置在FDSi的中心。沿着束流线的北部是一个名为DEGAi的伽马射线探测阵列，包括11个锗花蕾式探测器和15个快速计时溴化镧探测器。束流线的南部有一个叫做NEXTi的探测器模块组，用来测量发射的中子的飞行时间。

一束激发态的钠-32核停留在探测器中，并通过发射伽马射线衰变到畸变的基态。通过分析伽马射线谱以区别束流植入和伽马射线发射之间的时间差，可以揭示激发态的存在时间。新异构体的寿命为24微秒，是通过伽马射线发射衰变的20到28个中子异构体中观察到的最长寿命。大约有1.8%的钠-32核被观察到是新的异构体。

“我们可以提出两种不同的模型，它们同样很好地解释了我们在实验中观察到的能量和寿命，”Gray说道。

未来的努力和寻找答案的探索

需要进行一个更高功率的实验来确定钠-32的激发态是否为球形。如果是的话，这个态将具有6个量子化单位的角动量，角动量是与核整体旋转或其单个质子和（或）中子关于质心的轨道运动相关的性质。然而，如果钠-32的激发态是畸变的，则该态将具有零个量子化单位的角动量。

计划升级FRIB将提供更多的能量，增加束流中的核数。来自更强束流的数据将使得可以进行一个能够区分这两种可能性的实验。