一块锌，发了一篇Nature！

一块锌-70，解开了困扰核物理界20年的磁性质谜题

原子核从激发态向低能态跃迁时通常会发射光子，光子发射的概率作为光子能量的函数，被称为光子强度函数（γSF）。自20世纪中叶以来，科学家对这一函数进行了持续研究，发现其具有宽泛的巨共振结构，峰值约在12至20 MeV处。在过去四十年中，研究人员在γSF中发现了其他较小的共振结构，如在形变核中于1至4 MeV能区首次观测到的“剪刀模式”共振，以及5至10 MeV范围内的“矮偶极共振”。然而，其中最令人困惑的特征是低能增强（LEE）现象——它在γSF的低能部分（光子能量低于3 MeV）表现为额外增强。该现象自首次在铁-56/57和钼-95中被发现以来，已在许多靠近稳定线的轻质量和中等质量核、部分放射性核以及一些较高质量核中被观测到。低能增强对核反应率预测具有显著影响，因为它会提高辐射中子俘获反应截面，从而影响对恒星核合成过程的理解。然而，经过二十多年的研究，科学界仍未明确低能增强的电磁本性究竟是什么，也未能确定其幅度和形状如何依赖于核结构效应。

近日，美国密歇根州立大学稀有同位素束流装置（FRIB）E. K. Ronning研究员团队首次通过实验明确了原子核低能增强的磁性质，利用一种结合β衰变、γ射线能谱技术和分析方法的实验方案，研究了锌-70的γ射线强度函数，并成功揭示了该低能增强现象的磁偶极（M1）特性。这一发现解答了困扰核物理界数十年的关键问题，并对天体核合成模型的预测能力产生深远影响。相关论文以“Magnetic character of the low-energy enhancement in 70Zn”为题，发表在Nature上。

研究团队通过β衰变核铜-70的两个不同量子态——基态（6⁻）和第二同核异能态（1⁺）——分别布居锌-70的激发态，从而提取出两组可比较的γSF数据。铜-70基态的β衰变主要布居锌-70中自旋为5⁻、6⁻和7⁻的负宇称态，而铜-70第二同核异能态的β衰变则主要布居自旋为0⁺、1⁺和2⁺的正宇称态。由于β衰变是高度选择性的过程，母核的自旋决定了子核中被布居的能态范围，因此两组实验数据为区分不同电磁跃迁类型提供了独特窗口。图1展示了从这两组β衰变中提取的锌-70γSF，其中蓝色数据点对应铜-70基态衰变，橙色数据点对应铜-70同核异能态衰变。在低能区（光子能量低于3 MeV），两条强度函数表现出显著差异——来自1⁺母核衰变的γSF明显受到抑制。研究团队将此归因于锌-70低能区域宇称态分布的不对称性：在低于3 MeV的激发能区域，锌-70几乎只存在正宇称态，而从1⁺母核衰变布居的正宇称高激发态向低能正宇称终态跃迁时，电偶极（E1）跃迁被极大抑制，而磁偶极跃迁则不受影响。

图1 | 从铜-70同核异能态（m2）和铜-70基态（gs）的β衰变中提取的锌-70的γ射线强度函数（γSF）。从铜-70基态β衰变获得的数据在幅度上进行了归一化，并外推至Goryachev等人通过锌-70(γ,n)锌-69和锌-68(γ,n)锌-67测量获得的巨偶极共振数据，如蓝色波段所示。从铜-70同核异能态β衰变获得的数据的绝对归一化是相对于蓝色波段的。

为了定量验证这一解释，研究团队首先利用包含E1、M1以及M1型低能增强分量的理论模型，拟合了从铜-70基态（6⁻）衰变提取的γSF数据。该模型基于Gogny+Hartree-Fock-Bogoliubov加QRPA理论计算（由Goriely等人开发）描述E1分量形状，用广义洛伦兹函数描述M1分量，并加入一个指数函数来模拟M1低能增强。三个分量叠加后得到的总γSF与实验数据吻合良好（图3中黑色实线）。随后，研究团队利用锌-70中宇称态分布的比例（图2c），计算了每个γ射线能量对应的E1强度抑制因子。对于从铜-70同核异能态（1⁺）衰变提取的γSF，当激发能高于3.5 MeV时，由于缺乏可到达的负宇称终态，E1抑制因子降至零。将这一抑制因子应用于理论模型后，得到的E1分量被显著压低（图3中蓝色虚线），而M1和M1型低能增强分量保持不变，最终的理论曲线与从1⁺母核衰变提取的实验数据完全一致。图2a和2b分别示意性地展示了从铜-70基态和同核异能态衰变布居的锌-70低能能级结构（激发能直至约3 MeV），其中绿色箭头表示M1跃迁，紫色箭头表示E1跃迁，直观反映了两种跃迁类型在不同布居条件下的相对贡献。

图2 | 通过铜-70基态（gs）和同核异能态（m2）β衰变布居的锌-70激发能的描述。a、b，锌-70已知能级的示意图，显示了其以千电子伏特为单位的能量以及自旋和宇称，直至约3 MeV，分别来自铜-70基态β衰变（a）和铜-70同核异能态β衰变（b）的布居。M1特征的跃迁以绿色显示，E1特征的跃迁以紫色显示。在铜-70同核异能态的能级方案中，高能正宇称态向低能正宇称态的衰变倾向于正宇称和负宇称态之间的偶极跃迁。c，锌-70的宇称分布（以负宇称态与正宇称态之比表示）在两种不同自旋范围内随激发能的变化：从铜-70基态β衰变布居的自旋经一次偶极跃迁（自旋4—8，蓝色）和从铜-70同核异能态β衰变布居的自旋经一次偶极跃迁（自旋0—3，橙色）。

图3综合展示了γSF的各分量分解。黑色实线为完整的E1+M1+M1型低能增强理论γSF，蓝色实线为E1分量，粉色实线为M1分量，橙色实线为M1型低能增强指数分量。黑色虚线为施加E1抑制因子后的总γSF，蓝色虚线为被抑制后的E1分量，而两个M1相关分量保持不变。图中空心蓝色方块为来自铜-70基态衰变的实验数据，空心橙色三角形为来自铜-70同核异能态衰变的实验数据。从图3可以清晰看出，铜-70基态衰变数据与标准E1+M1+M1型低能增强模型高度一致，而铜-70同核异能态衰变数据则与E1被抑制后的理论曲线完美匹配。这一结果为低能增强现象的磁偶极本性提供了决定性证据。

图3 | 锌-70的γ射线强度函数（γSF）的分量分解。来自TALYS 1.96中Gogny+Hartree-Fock-Bogoliubov计算的E1+M1+LEE γSF以黑色实线显示。该γSF的各个分量如下：E1分量为蓝色实线，M1分量为粉色实线，M1型LEE为橙色实线。应用了E1抑制因子后的γSF为黑色虚线，被抑制的E1分量为蓝色虚线。两个M1分量（粉色线和橙色线）保持不变。空心蓝色方块代表从铜-70基态衰变提取的锌-70 γSF，空心橙色三角形代表从铜-70同核异能态衰变提取的锌-70 γSF。来自铜-70基态的数据与标准的E1+M1+LEE γSF吻合良好，来自铜-70同核异能态的数据与E1被抑制的E1+M1+LEE γSF吻合良好。

该研究不仅首次明确了低能增强的电磁本性为磁偶极跃迁，还揭示了核结构效应对γSF提取结果的重要影响——不同的初始布居自旋和宇称分布会导致观测到的γSF形态出现显著差异，这与广义Brink-Axel假说并不矛盾，而是反映了终态能级可及性的差异。这一发现直接提升了核科学领域对恒星核合成过程的理论预测能力，因为低能增强对辐射中子俘获反应截面的影响在模型中可以得到更精确的约束。未来，随着稀有同位素束流装置的进一步升级和探测技术的持续发展，科学家将能够对更多核素的γSF进行系统性测量，从而全面揭示低能增强现象在核素图中的分布规律及其与核结构参数之间的内在联系，为核天体物理模型提供更为坚实的实验基础。