2026-06-15 | 科研部 南科大陈洁团队揭示稀有铍原子核中幻数破缺机制
近日，南方科技大学物理系陈洁副教授与合作者利用欧洲核子研究中心CERN HIE-ISOLDE装置，通过高分辨率的 11Be(d,p)12Be单中子转移反应，直接探测了稀有铍同位素12Be中关键中子轨道的排列方式，澄清了其低激发态结构中长期存在的实验疑点，并揭示了传统中子幻数N=8在该核中失效的物理机制。相关成果以“N = 8 Shell Breaking in 12Be from a Single-Particle Perspective”为题发表在 Physical Review Letters。
在原子核中，质子和中子并不是杂乱无章地聚集在一起，而是会像原子中的电子一样形成壳层结构。当质子数或中子数达到某些特定数值时，原子核通常会表现出额外稳定性，这些数值被称为“幻数”。长期以来，幻数是理解原子核结构的重要规则。然而，在远离稳定线的短寿命奇特核中，这一规则并非总是成立。12Be正是一个典型例子：按照传统壳模型，中子数N=8应对应稳定的闭合壳层，但实验表明，12Be并不遵守这一预期。
“幻数破缺”背后的物理机制是理解奇特原子核结构演化规律的关键。12Be位于丰中子稳定性边缘，外层中子束缚较弱，甚至会受到连续谱中耦合效应的影响，产生“逃逸”现场。这样的原子核不再像稳定核那样是封闭、刚性的量子体系，而更像一个脆弱、开放的多体系统，其内部结构会在弱束缚、形变和连续谱耦合作用下重新组织。
图 1. 11Be(d,p)12Be反应测得的12Be 激发能谱
为直接解答上述问题，研究团队在CERN HIE-ISOLDE开展了11Be(d,p)12Be新反应实验。团队将一束短寿命11Be放射性束流打到氘化聚乙烯靶上，通过向11Be添加一个中子生成12Be，并探测反应中飞出的质子和反冲铍原子核。由于单中子转移反应能够清晰揭示被添加中子进入了哪个单粒子轨道，为观察12Be内部中子轨道排列提供了窗口。
相比以往实验，本研究在适合单中子转移反应分析的束流能区进行测量，并获得了约140keV的Q值分辨率。研究团队通过高分辨率实验数据能够更清楚地区分12Be中相邻的低激发态，提取各态的谱因子并确定多个无束缚共振态的性质，从而构成理解12Be壳层破缺的关键证据链。
研究发现，12Be中传统N=8壳层闭合的破缺并不是由单一因素导致的。实验推断出的1s1/2、0p1/2和0d5/2中子单粒子轨道能量显示，与碳的同中子异位素相比，12Be中1s1/2与0p1/2轨道间距显著缩小，二者近乎简并，而0d5/2轨道位于更高能区。原本应按照传统壳层规则排列的中子轨道，在12Be中被重新洗牌，sd壳轨道成分进入p壳，形成明显的跨壳组态混合。
这一轨道重排现象揭示了N=8在12Be中不再表现为传统幻数的原因。研究团队进一步将实验结果与多种理论模型比较后发现，只有同时考虑10Be核心形变和弱束缚连续谱耦合的理论模型，才能较好地再现实验能级和谱因子。12Be的壳层破缺源于两种机制的协同作用：一方面，原子核本身呈现形变，改变了中子轨道的相对位置；另一方面，外层中子束缚较弱，接近中子发射阈值，连续谱耦合进一步推动壳层结构发生重排。
图2.12Be低激发态谱因子与壳模型、Gamow壳模型和Gamow耦合道模型计算比较
实验还澄清了12Be低激发态中存在的若干长期争议问题。研究首次直接确定了02+同核异能态的s波谱因子，为该态可能具有双中子晕结构提供了新的实验证据。同时，实验首次精确01-和21-共振态的激发能和宽度。其中，01-共振位于3.182(7)MeV，仅高于单中子发射阈约12keV，宽度小于30keV，是近阈值开放量子体系中窄共振态的典型例子。上述结果表明，在核稳定性边缘，弱束缚中子不仅改变了壳层结构，也会诱发中子晕和近阈值共振等奇特量子现象。
图3.Be与C同中子异位素中单粒子轨道能量演化
该研究从单粒子轨道视角给出了12Be中N=8幻数失效的直接实验证据，展示了物质在核稳定性边缘如何重新组织自身结构。相关结果不仅为理解轻核区壳演化、中子晕和近阈值共振提供了新物理图像，也为发展适用于开放量子体系的核结构与核反应理论提供了重要约束。
图4.12Be原子核中子幻数8消失机制示意图
陈洁为论文第一作者和通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究由陈洁与ISOLDE国际合作组合作完成，合作者来自阿贡国家实验室、曼彻斯特大学、利物浦大学、欧洲核子中心、复旦大学、中国科学院近代物理研究所、兰州大学、KU Leuven、约克大学、中山大学等国内外科研机构。本研究得到了美国能源部、国家自然科学基金、英国科学与技术设施理事会以及欧洲相关科研项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1103/3vts-dwst
供稿：物理系
通讯员：高虎梅
主图：丘妍
编辑：任奕霏
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