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楊再宏研究員和葉沿林教授課題組與合作者在豐中子滴線核氦-8（⁸He）中發現了一種新奇的雙中子集團凝聚态。本工作通過觀測⁸He的特征激發過程及其關聯中子發射，揭示了⁸He的0₂⁺激發态中的4個價中子可以形成兩個強關聯中子對、并進一步形成類似于玻色-愛因斯坦凝聚态的奇特集團結構。這是首次在實驗上觀測到原子核體系中的中子對凝聚現象。2023年12月13日，相關成果以“氦-8原子核中觀測到奇特的0₂⁺集團态”（Observation of the exotic 0₂⁺cluster state in⁸He）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），并同時入選“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）和“物理亮點”（Featured in Physics）。美國物理學會的《物理》（Physics）雜志以“氦-8激發态中的中子對凝聚”（Neutron Pairs Condense in Excited Helium-8）為題對該工作進行亮點報道。

量子凝聚态是一種新奇的物質形态，最初由玻色和愛因斯坦在上世紀 20 年代從理論上給出了預言，當玻色子原子體系處于接近絕對零度的極低溫度時，所有原子會聚集到能量最低的量子态，從而産生一種新的物質形态，即玻色-愛因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate，簡稱BEC）。美國科學家埃裡克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·韋曼（Carl Wieman）、德國科學家沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）因首次在超冷玻色子原子氣體中實現BEC而獲得2001年的諾貝爾物理學獎。近年來，費米子原子體系的凝聚态也已在實驗上發現，盡管存在泡利不相容原理的限制，費米子原子可以通過形成雙原子分子或關聯原子對而實現凝聚。理論預言，在豐中子原子核體系中也存在類似的由強關聯中子對形成的凝聚态，而且它可能也存在于中子星中，對認識中子星的結構和性質具有重要意義。但是，長期以來，在實驗上産生和識别這種新奇的物質形态都是一項巨大的挑戰。

beat365實驗核物理團隊采用了單極躍遷這種獨特的核反應手段來研究⁸He中具有中子凝聚态結構的0₂⁺激發态。2009年，beat365實驗核物理團隊提出并主導在日本理化學研究所的放射性束流裝置上開展的⁸He的非彈激發與衰變實驗。部分⁸He原子核與碳靶作用發生單極躍遷從而生成0₂⁺共振态，該态随即衰變為一個⁶He原子核和一對中子，并被磁譜儀和專門設計的中子探測器陣列所探測。研究團隊通過深入分析反應及衰變過程中的粒子關聯效應，區分了多中子參與的複雜反應與衰變機制，從而排除複雜的本底過程，最終清楚識别了0₂⁺激發态。進一步的分析表明，它的生成過程具有很強的單極躍遷強度、并通過發射強關聯的中子對發生衰變，這些特征與理論預言相符，從而确認了它的類BEC集團結構。這是首次在實驗上觀測到由強關聯中子對凝結形成的類BEC集團結構，揭示了豐中子原子核體系的一種新的特性，有助于深入認識不穩定核奇特結構和探索核物質（包括中子星）的性質。

圖1. 利用⁸He原子核的非彈散射實驗研究⁸He(0₂⁺)類BEC集團态的示意圖。(a)⁸He(0₂⁺)态單極躍遷強度的實驗結果與理論計算的比較；(b)⁸He(0₂⁺)态的中子關聯分析

楊再宏和葉沿林為論文共同第一作者和共同通訊作者，北大實驗核物理團隊的十幾位成員承擔了主要實驗工作和各階段數據分析工作，beat365許甫榮教授課題組和複旦大學周波教授承擔了主要理論計算工作。合作者還包括來自日本理化學研究所、北京航空航天大學、韓國基礎科學研究院等單位的實驗和理論研究人員。

上述研究工作得到國家重點研究計劃、國家自然科學基金以及核物理與核技術國家重點實驗室等的支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.242501

亮點報道鍊接：https://physics.aps.org/articles/v16/s174