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利用等時性質(zhì)譜儀測量72Ge32+的雙光子衰變研究取得新進(jìn)展

  

近日,一支由多個研究團(tuán)隊組成的國際合作團(tuán)隊的科研人員在利用儲存環(huán)等時性質(zhì)譜儀測量原子核的雙光子衰變研究方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表在《物理學(xué)評論快報》上,近代物理所核物理中心儲存環(huán)核物理室作為主要貢獻(xiàn)團(tuán)隊參與合作完成。

科研人員介紹,處于激發(fā)態(tài)的原子核可以通過γ衰變、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子衰變、正電子-電子對衰變以及雙光子衰變4種方法衰變到基態(tài)。在原子核的雙光子衰變中,處于激發(fā)態(tài)的原子核同時發(fā)射兩個伽馬光子,該衰變過程是電磁躍遷過程中的一種普遍現(xiàn)象,但其強(qiáng)度較弱,難以觀察。不過,借助實驗室的條件,科研人員可以通過人為的條件設(shè)定,屏蔽原子核的其他衰變通道,對雙光子衰變這一特定的衰變通道進(jìn)行測量。

科研人員將72Ge32+離子存儲在德國亥姆霍茲重離子研究中心(GSI)的ESR儲存環(huán)中。72Ge32+原子核存在一個同質(zhì)異能態(tài),自旋宇稱為0+。該能級衰變到基態(tài)0+時,由于以下3個原因,只能發(fā)生雙光子衰變(參考下圖左):a)衰變前后,72Ge32+離子的自旋和宇稱保持不變,而光子的角動量為1。由于動量守恒定律限制,無法發(fā)生γ衰變。b72Ge32+離子核外沒有原子電子,不能通過內(nèi)轉(zhuǎn)換衰變通道進(jìn)行衰變。c)激發(fā)能量為691 keV,小于1022 keV。由于能量守恒律限制,無法發(fā)生正電子-電子對衰變。因此,儲存在ESR中的72Ge32+離子只能發(fā)生雙光子衰變??蒲腥藛T將ESR儲存環(huán)的等時模式與Schottky共振腔結(jié)合起來,首次實現(xiàn)了激發(fā)能量低至約100 keV、半衰期短至約10毫秒的原子核同質(zhì)異能態(tài)的直接測量。

圖:72Ge32+離子的雙光子衰變示意圖(左)以及離子的回旋頻率隨時間變化的光譜圖()。每一幀的時間間隔為9.22 毫秒。每種離子種類的功率譜密度與它們的離子數(shù)量成正比。

通過實驗,科研人員成功觀測了72Ge32+離子的同質(zhì)異能態(tài)的雙光子衰變過程,并測量了激發(fā)能和雙光子衰變半衰期。實驗結(jié)果顯示,72Ge32+離子的同質(zhì)異能態(tài)0+的激發(fā)能為692.819keV,和文獻(xiàn)中的數(shù)值一致,而衰變的半衰期為23.9(6)毫秒,顯著偏離預(yù)期。實驗結(jié)果表明,我們目前對雙光子衰變過程的理解可能是不完整的,需要進(jìn)一步研究以完善理論模型并解釋觀察到的差異。此外,此項實驗開辟了通過實驗室條件屏蔽原子核的衰變通道,并對某些稀有的衰變通道進(jìn)行測量的新途徑。為未來儲存環(huán)質(zhì)譜研究開辟了新的研究方向。

論文鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.022502


(儲存環(huán)核物理室??供稿)