不穩定原子核大多處于核素版圖上尚未開發的未知區域，涉及量子多體開放系統的前沿科學問題，也涉及核能系統廢料處置對象的許多未知核性質。在原子核的量子态結構中，“幻數”（質子或中子填滿某個主殼層的數目）是一個基本概念。近些年，随着大量不穩定核素（放射性核素）的産生，人們發現遠離穩定線弱束縛原子核的殼層結構發生了系列演化，觀察到原有“幻數消失”和“新幻數”出現等奇特現象，成為當今核物理的重大科學問題。原子核的質量、自旋、磁矩、電四極矩、電荷半徑等基本性質物理量，反映了原子核的内在結構和有效相互作用，在核物理、核天體、核能和核技術應用中不可或缺。激光核譜技術是近些年快速發展的能夠高效測量不穩定核多個基本性質的關鍵技術，具有顯著的特點和優勢，已經在前期豐中子核奇特結構（如暈結構、殼層演化新幻數、奇特形變等）研究中發揮了重要作用。
此前若幹研究團隊根據部分物理量測量結果提出了豐中子鈣區域N = 32的中子“新幻數”。殼模型理論通過張量力效應引起的單粒子殼層演化可以解釋這一結構特征。但這一“新幻數”概念在實驗和理論方面還存在争議。基于此，楊曉菲牽頭與其合作者提出在瑞士歐洲核子研究中心ISOLDE放射性束流裝置上利用激光譜技術研究質子幻數鈣附近極端豐中子核52K（Z = 21, N = 33）基本性質的實驗計劃。
圖1: (a)共線共振電離譜及β粒子探測系統；(b)利用離子和 (c) β探測技術獲得的部分超精細結構譜圖; (d)52K的超精細結構譜圖。
52K核素處于豐中子區，壽命短（110 ms），在ISOLDE裝置上的産率僅有約200離子/秒，而伴随它同時産生的穩定雜質核高達106 離子/秒以上。針對極低信噪比問題，實驗中首次采用了β衰變标記的共線共振電離激光譜實驗方法【圖1(a)】。此方法利用豐中子52K核素短壽命特征，采用探測激光共振電離的目标核β衰變電子的方法代替了記錄電離離子，很大程度避免了雜質核素的幹擾【圖1(b)(c)】, 實現了對52K及其同位素的超精細結構譜測量【圖1(d)】。這也是國際上首次将質子幻數核鈣附近電荷半徑的測量拓展到N = 32（此前提出的中子“新幻數”）之上。實驗結果表明鉀同位素的電荷半徑在N = 28至33區間連續快速增大，沒有表現出N = 32中子幻數特征【圖2】。實際上，目前國際上快速發展的多種理論模型 （如基于手征有效場論的ab-initio CC方法和Fayan密度泛函理論）均無法合理地解釋電荷半徑的實驗測量結果【圖2】，這是豐中子核區出現的又一奇特現象。此研究揭示出迄今對豐中子原子核基本性質和結構特征的認知還很有限，還需要大量實驗和理論的探索和突破。本研究中提出的β衰變标記的共線共振電離激光譜實驗新方法可将極端豐中子核基本性質和結構的研究拓展到更遠離穩定線的核素區域。
圖2：鉀同位素的電荷半徑實驗值與多種原子核理論模型[Fy（Δr, HFB）、NNLOsat、ΔNNLOGO]計算結果的比較。
此項工作于2021年01月28日以“Charge radii of exotic potassium isotopes challenge nuclear theory and the magic character of N = 32”為題，在線發表于《自然·物理》（Nature Physics）雜志上。beat365官方网站技術物理系和核物理與核技術國家重點實驗室楊曉菲研究員與其聯合指導的魯汶大學博士生Á. Koszorús為共同第一作者和共同通訊作者；合作單位包括比利時魯汶大學、英國曼徹斯特大學、歐洲核子研究中心等。研究工作得到中國科技部重點研發計劃和國家自然科學基金委的支持。
論文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41567-020-01136-5
