铝-20的三质子衰变与同位旋对称性破缺的证据

在核物理领域，人们一直在探索支配原子核的基本力和对称性。在众多现象中，放射性衰变为了解核子之间错综复杂的相互作用提供了一个独特的窗口。最近发表在《物理评论快报》上的一项关于奇特的三质子发射体铝-20 衰变的研究，不仅揭示了一个以前未被观测到的同位素，更重要的是，为这种极端富质子原子核中同位旋对称性破缺提供了令人信服的证据。这一发现挑战了传统的核结构理解，并为深入研究核存在的极限开辟了新的理论和实验途径。

同位旋对称性：核物理的基石

几十年来，同位旋对称性的概念（海森堡首次提出）一直是核物理的基石。它认为将质子和中子结合在一起的强核力对这两种粒子几乎一视同仁。这导致了一个预测：具有相同质量数但质子和中子数量互换的“镜像核”应该表现出相似的光谱特性，包括相同的基态自旋、宇称和相似的激发能图。与这种对称性的偏差，被称为同位旋对称性破缺，为深入了解原子核内库仑力（只作用于质子）和其他带电粒子相关相互作用的微妙影响提供了重要线索。

铝-20的发现与独特衰变模式

合成和研究像铝-20这样极端富质子原子核的实验挑战是巨大的。这些原子核位于“质子滴线”之外，质子滴线是原子核预计会自发发射质子的理论边界。这项研究由中国科学院近代物理所、德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心和复旦大学等团队合作进行，他们利用先进的碎裂技术和飞行衰变光谱学来产生和识别 铝-20。这是首次观测到这种难以捉摸的同位素，是实验独创性的一项胜利，它突破了核合成的极限。

随后对铝-20衰变模式的详细分析揭示了其真正非凡的性质。与更常见的放射性衰变过程不同，铝-20被发现通过三质子发射进行衰变。此外，研究阐明了一个连续的两步过程：铝-20基态首先通过发射一个质子衰变到镁-19的中间基态，然后镁-19随后经历双质子发射得到氖-17。这种复杂的质子发射级联使得铝-20成为第一个被观测到的三质子发射体，其单质子衰变产物本身就是一个双质子放射性原子核。精确测量到的三质子衰变能量为 1.93(+0.12,−0.09) MeV，这是拼图的关键部分。

同位旋对称性破缺的揭示

正是在将这种实验确定的衰变能量与基于同位旋对称性的理论预测进行比较时，最重要的发现浮出水面。假设完美的同位旋对称性，铝-20基态的衰变能量在考虑库仑能差后，应该与其在氮-20中同位旋模拟态的衰变能量非常接近。然而，研究发现铝-20测量衰变能量显著小于严格遵守同位旋对称性所预测的值。

这一差异成为铝-20中同位旋对称性破缺的最初令人信服的证据。为了进一步证实这一说法，研究人员深入研究了铝-20基态的自旋和宇称分配。虽然镜像核氮-20具有公认的2-基态自旋和宇称，但与实验结果相结合的理论计算强烈表明，铝-20的基态具有1−的自旋和宇称。镜像核之间基态量子数的这种差异是同位旋对称性破缺的直接而明确的表现。

研究意义与未来展望

这一发现意义深远。同位旋对称性破缺在如此轻而奇特的原子核中存在，对核结构模型提出了严格的检验。强核力与电磁（库仑）相互作用之间微妙的相互作用对于理解这些偏差至关重要。在极端富质子原子核中，质子数量的增加导致库仑斥力增强，这会显著扭曲核势和能级，从而导致同位旋对称性的破裂。这项研究为完善理论模型提供了定量的基准，以便更准确地描述处于核稳定极限的原子核行为。

此外，理解同位旋对称性破缺不仅仅是一个学术研究。它对我们理解自然界的基本对称性以及天体物理过程具有影响。例如，同位旋对称性破缺可以影响恒星环境中的反应速率，这可能会影响核合成途径。精确测量 铝-20中的同位旋对称性破缺为探测核力本身的带电粒子相关分量提供了一个新的数据点。

展望未来，铝-20中同位旋对称性破缺的发现为未来的研究开辟了几个令人兴奋的途径。在实验方面，它促使人们寻找其他奇特的富质子原子核，并精确测量它们的衰变特性，以进一步绘制核图表中同位旋对称性破缺的范围。在理论方面，挑战在于开发更复杂的模型，这些模型可以准确地包含库仑相互作用和其他带电粒子相关力的影响，以解释和预测各种原子核中的同位旋对称性破缺。构型混合、配对关联以及原子核内带电粒子相关相互作用的确切性质之间的相互作用将是关键的关注领域。