beat365官方网站技術物理系、核物理與核技術國家重點實驗室李智煥副教授和華輝教授課題組與合作者首次在實驗中觀測到四質子不穩定原子核¹⁸Mg（鎂），其比自然界穩定存在的最輕的鎂同位素少6個中子，通過奇特的四質子發射模式衰變到長壽命的¹⁴O（氧）末态；同時，發現了¹⁸Mg中可能的第一個2⁺态，為質子滴線附近N = 8幻數的消失提供了新的證據。2021年12月22日，相關研究成果以“四質子不穩定原子核¹⁸Mg的首次實驗觀測”（First observation of the four-proton unbound nucleus ¹⁸Mg）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），并以“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）和美國物理學會旗下期刊《物理》（Physics）點評（Featured in Physics）的形式被亮點報道。

遠離穩定線的原子核結構研究發現了大量的奇異現象，如原子核暈的形成、新幻數的産生、新的衰變模式等。質子滴線外的非束縛原子核會自發出射質子到達更穩定的末态；由于核子的對效應，其中偶質子數原子核傾向于同時發射兩個質子。近年來，在輕質量區極豐質子的滴線外原子核中，還發現了稀少的三質子和四質子發射現象。這類奇特的衰變模式為研究質子滴線外的新核素提供了強大的譜學手段，揭示出豐富的核結構和核子關聯信息。

近期，beat365官方网站技術物理系、核物理與核技術國家重點實驗室李智煥副教授和華輝教授課題組與合作者在美國密歇根州立大學國家超導回旋加速器實驗室開展滴線外鎂同位素的多質子衰變實驗研究：利用²⁰Mg放射性束流在⁹Be（铍）靶上的雙中子敲出反應，成功産生了質子滴線外的新核素¹⁸Mg（圖1），并使用Si-CsI(Tl)（矽探測器、摻铊碘化铯閃爍晶體）帶電粒子望遠鏡、閃爍光纖探測器和S800磁譜儀等裝置對其瞬發衰變産生的五個末态粒子（4p+¹⁴O）進行了高效、高分辨的符合探測。根據測量結果，重建了母核¹⁸Mg的不變質量譜，從而在實驗上首次确定了¹⁸Mg的基态質量和衰變寬度（圖2）。

圖1 ¹⁸Mg四質子發射示意圖

圖2 實驗重建的¹⁸Mg不變質量譜及Mg同位素中2⁺态激發能的系統性演化

聯合研究團隊通過研究衰變末态的四個質子和剩餘核¹⁴O的能量關聯，發現¹⁸Mg基态經過級聯的兩步雙質子同時發射的過程進行衰變。作為中間态的¹⁶Ne（氖）基态壽命相對較長，因此前後兩步雙質子發射過程彼此相對獨立。實驗結果同時揭示出¹⁸Mg基态與¹⁶Ne基态的衰變關聯的相似性，表明¹⁸Mg基态的雙質子衰變過程很可能也以s波的質子發射為主。實驗的另一個重要發現是，同時觀測到¹⁸Mg中可能的第一個2⁺态，其激發能比鄰近的偶偶核同位素²⁰Mg（擁有8個中子的滿殼層）更高，為Mg同位素中N = 8中子殼能隙的減弱提供了新的證據。

在此項研究工作中，beat365官方网站2017級博士研究生金瑜和2018屆博士畢業生、密歇根州立大學國家超導回旋加速器實驗室博士後牛晨陽為共同第一作者，李智煥、華輝和密歇根州立大學Kyle Brown為共同通訊作者。其他合作單位包括中國科學院近代物理研究所、中山大學、複旦大學、美國聖路易斯華盛頓大學等。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。

論文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.262502

《物理》點評提要：https://physics.aps.org/articles/v14/s165