近日，beat365官方网站技術物理系、核物理與核技術國家重點實驗室葉沿林課題組及其合作者通過在蘭州重離子加速器國家實驗室放射性束流線1号線（HIRFL-RIBLL1）開展的一項非彈激發和集團衰變實驗，成功觀測到了豐中子核碳-14（¹⁴C）中存在的線性鍊狀分子結構（3個α集團成線性排列）。這一發現為認識不穩定原子核的奇特結構提供了重要線索，由此可以期待在比¹⁴C更重的豐中子體系裡，此類“葫蘆串”式的奇特結構會大量出現[圖1(a)]。2023年8月19日，相關研究結果以“碳-14中線性鍊狀集團結構的發現”（Nuclear linear-chain structure arises in carbon-14）為題，在線發表于《自然》（Nature）系列子刊《通訊-物理》（Communications Physics）。

圖1：(a) 輕核區偶偶核中的集團和分子結構示意圖（Z-質子數；N-中子數），其中粉紅色襯底上展示的是葉沿林課題組工作發現的14C中的具有3-α核心的線性鍊狀分子結構。根據反對稱分子動力學（AMD）計算，繪制了碳同位素中三角形和鍊狀結構的價中子構型（π²，σ²和π²σ²）。(b) 14C中線性鍊狀分子轉動帶的激發能量-自旋（E_X-J）關聯，其中能量和自旋的單位分别為MeV和約化普朗克常數ħ。

傳統觀念認為，原子核是由核子（中子和質子）組成的緊湊的近似球體，核子在原子核的平均場内幾乎是獨立運動的。然而，随着激發能量、角動量或同位旋不對稱性（即中子與質子的比例）的增加，原子核的形狀和内部結構會發生顯著變化。在低密度的核環境中，部分核子的強關聯可以在局域形成相對穩定的α、2n（雙中子）或更重的集團（cluster）。例如，著名的¹²C Hoyle态（第二個O⁺态）是一個3-α凝聚态[圖1(a)]，它在恒星中重元素合成過程中起着決定性作用。

理論預言碳同位素的激發态可能長成三個α集團排成一串的線性鍊狀結購[圖1(a)]。但多年研究表明，¹²C中的3-α結構難以穩定；而在豐中子碳同位素中，由于價中子的存在，在泡利不相容原理和量子态正交條件的驅動下，線性鍊狀結構可以形成比較穩定的的共振态。盡管原子核集團結構的理論研究取得了顯著進展，各種模型在理解和預言集團結構方面開展了大量工作，但直接的實驗證據仍然非常有限。對于2-α核心的铍同位素，通過對衰變碎片的符合測量，人們成功地重建了那些具有顯著集團結構的共振态。對于3-α核心的碳同位素，由于其衰變子核^10,12Be具有束縛的激發态，測量難以區分，因此實驗上更具挑戰性。受到實驗分辨或放射性核束流強度的限制，提取激發态的自旋-宇稱信息則更加困難。因此，¹⁴C中線性鍊狀分子結構的存在一直以來難以确定。

為了确認¹⁴C中可能存在的線性鍊狀分子結構，beat365實驗核物理團隊及其合作者在HIRFL-RIBLL1實驗終端開展了一項非彈激發和集團衰變實驗。通過對末态粒子⁴He+¹⁰Be+¹He的高效率三重符合測量，獲得了高分辨的反應Q值譜，為識别¹⁴C激發态的衰變路徑和自旋分析奠定了基礎。實驗觀察到了理論預言的¹⁴C的π型線性鍊分子轉動帶的前三個共振态成員，并進行了清晰的自旋-宇稱分析[圖1(b)]。這是首次确認了¹⁴C的π型線性鍊狀分子轉動帶，這為輕核區豐中子核中線性鍊狀集團結構的存在提供了強有力的證據，将推動這類奇特結構的進一步觀測和研究。

beat365官方网站技術物理系博士研究生韓家興為論文第一作者，葉沿林為論文通訊作者；合作者包括來自中國科學院近代物理研究所、哈爾濱工程大學和内蒙古民族大學等單位的研究人員。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s42005-023-01342-6