遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核的衰變研究可為核內(nèi)有效相互作用與基本對(duì)稱性、奇特核結(jié)構(gòu)與奇特衰變以及天體核合成等關(guān)鍵問題提供重要的信息,是人們對(duì)原子核穩(wěn)定存在極限的一種探索。22Si和20Mg是N=8的豐質(zhì)子滴線核,衰變譜學(xué)研究是新近的熱點(diǎn)。對(duì)于20Mg,其β延遲質(zhì)子(βp)衰變與核天體關(guān)鍵反應(yīng)19Ne(p, γ)20Na密切相關(guān),國(guó)際上研究較多,但尚無定論。對(duì)于22Si,其Tz = -3,即質(zhì)子比中子多6個(gè),十分罕見,僅有法國(guó)GANIL開展了初步的衰變譜學(xué)研究。
中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所核反應(yīng)組聯(lián)合近代物理研究所、上海應(yīng)用物理研究所、北京大學(xué),利用蘭州重離子研究裝置(HIRFL)放射性束流線1號(hào)線(RIBLL1),開展了滴線核22Si和20Mg以及附近核的β延遲衰變譜學(xué)的研究。
實(shí)驗(yàn)由扇聚焦回旋加速器SFC作注入器,大型分離扇加速器SSC提供能量為75.8 MeV/u,流強(qiáng)為37 enA的28Si14+初級(jí)束流,轟擊9Be初級(jí)靶產(chǎn)生彈核碎裂反應(yīng),產(chǎn)物經(jīng)RIBLL1以Bρ–ΔE–Bρ方式分離和純化,利用ΔE–ToF方法鑒別次級(jí)束流粒子。在連續(xù)束模式下,將目標(biāo)核注入150 μm和60 μm的兩塊薄的雙面硅條探測(cè)器,周圍環(huán)繞四分硅探測(cè)器和Clover型γ探測(cè)器組成的陣列,實(shí)現(xiàn)輕、重離子,β粒子和γ射線的符合測(cè)量,通過位置、時(shí)間和能量等信息,嚴(yán)格挑選稀有的衰變事件。
研究成果的創(chuàng)新點(diǎn)如下:
1)在探測(cè)技術(shù)方面,研發(fā)了一套基于印刷電路板構(gòu)架的硅探測(cè)器陣列,提高了系統(tǒng)的信噪比;以兩塊薄硅作為注入探測(cè)器,有效抑制了β衰變疊加的影響。探測(cè)裝置分辨好、效率高,能量探測(cè)閾低至150 keV,對(duì)稀有衰變事件有極強(qiáng)的鑒別能力,性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
2)在20Mg的研究中,觀察到一個(gè)新的βp衰變分支,利用p–γ符合構(gòu)建了較完整的衰變綱圖,確定了20Mg半衰期為90.0 ± 0.6 ms,是目前精度最高的數(shù)據(jù)。
3)對(duì)于極豐質(zhì)子核22Si,實(shí)驗(yàn)觀察到若干新的βp衰變分支,第一次發(fā)現(xiàn)其具有β延遲雙質(zhì)子(β2p)衰變模式。利用庫侖置換能關(guān)系,首次給出22Si基態(tài)質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
對(duì)20Mg衰變譜學(xué)的研究,確證了20Mg和20O鏡像核衰變的不對(duì)稱性,為揭示同位旋對(duì)稱性的破缺提供了實(shí)驗(yàn)素材,進(jìn)一步約束了核內(nèi)有效相互作用參數(shù)的選擇。對(duì)22Si衰變譜學(xué)的研究,首次觀察到其具有β延遲雙質(zhì)子發(fā)射,這是第一次在亞洲國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的具有β2p衰變的核素;首次從實(shí)驗(yàn)上確定了基態(tài)質(zhì)量,表明它是一個(gè)非常臨界的基態(tài)雙質(zhì)子發(fā)射核。上述成果深化了人們對(duì)豐質(zhì)子滴線核性質(zhì)的理解以及對(duì)核素存在邊界的認(rèn)知。

圖1 探測(cè)器陣列示意圖

圖2 22Si的β延遲質(zhì)子衰變能譜(紅色標(biāo)記為實(shí)驗(yàn)新發(fā)現(xiàn)的衰變分支)
<蘭州重離子提供>