中國科學院近代物理研究所參與國際合作研究，在日本理化學研究所（RIKEN）的放射性同位素束流工廠（RIBF）上，系統測量了新雙幻核鈣-54附近40個豐中子原子核的β衰變半衰期，成功揭示了鈣以下原子核中子數為32和34的殼結構演化行為，為深入理解極端豐中子原子核的結構性質提供了關鍵實驗證據。相關研究成果于12月2日發表在《物理評論快報》上。
類似原子中電子的殼層結構，原子核中的質子和中子也存在特定的能量層級，當質子數或者中子數為某些特定數值（如2、8、20、28、50、82、126）時，原子核表現出更高的穩定性，這些數字被稱為“幻數”。原子核的殼模型通過引入自旋-軌道耦合成功解釋了幻數，其提出者（M. Mayer和J. Jensen）因此獲得了1963年的諾貝爾物理學獎。
然而，近年來的研究發現，在遠離穩定線的核區，傳統幻數可能減弱甚至消失、并可能出現新的滿殼或亞滿殼結構。在豐中子鈣同位素中，中子數32和34已被實驗證實具有類似滿殼的效應，但它們在更輕元素（如鉀、氯）中的行為尚不明確。
由于該區域原子核的產額極低，傳統基于質量測量或γ譜學的手段難以實現有效觀測。為此，研究團隊另辟蹊徑，利用β衰變半衰期對原子核單粒子軌道高度敏感的特性，系統測量了相關核素的半衰期，從而研究核子殼層結構的演化。團隊利用RIBF產生的放射性束流，對鈣-54附近40個原子核的β衰變半衰期進行了高精度測量，其中10個原子核的半衰期為首次測量，5個原子核的半衰期精度得到顯著提升。
通過分析，團隊發現這些原子核半衰期呈現出兩個突出的系統性特征：一是鉀-54的β衰變半衰期出現明顯偏離整體趨勢的下降，該現象可以解釋為中子數為34的亞滿殼效應。這一解釋得到了殼模型理論計算的支持。二是氯-48的β衰變半衰期較相鄰同位素顯著偏短。團隊認為，該異常源于氯-48中的中子可以輕易跨過中子數為32的亞殼激發。通過進一步計算分析，團隊發現這一跨殼激發主要來自于質子空穴增加所導致的強烈組態混合，而非中子亞殼的顯著減弱。
隨著我國強流重離子加速器裝置（HIAF）即將投入運行，其提供的高能量、高流強束流將能更高效地產生該核區乃至更豐中子的原子核。未來，依托HIAF對更豐中子原子核開展高精度的β衰變及其它譜學測量，有望進一步拓展對原子核殼演化的認識，推動殼模型理論的發展。
該研究由中國科學院近代物理研究所主導，聯合日本理化學研究所、北京大學等機構共同完成。近代物理所博士研究生曾全波為論文的第一作者及第一通訊作者，導師劉忠研究員為核心作者之一。該工作獲得了國家自然科學基金等項目的資助。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1103/227j-q7zf
本次實驗的原子核二維粒子鑒別圖。近代物理研究所供圖。