中科院近代物理研究所的科研人员及合作者日前首次合成新核素 ²¹⁴ U ，并在重核区首次发现强的质子 - 中子相互作用导致 α 衰变中 α 粒子形成几率显著增强的现象。相关成果于 4 月 14 日以亮点文章 “ 编辑推荐 ” （ Editors’ Suggestion ）的形式发表于国际顶级物理学期刊 Physical Review Letters 上， 被《NATURE》和美国物理学会的Physics杂志在线报道。

寻找和合成极端条件下的原子核是当前核物理研究的重要课题。 α 衰变是重核区原子核的普遍衰变模式。因此， α 衰变谱学不仅是用来鉴别重核和超重核素的有利工具，也是研究原子核结构信息的有效方法。

质子 - 中子相互作用作为一种重要的核子 - 核子相互作用，对理解远离稳定线原子核的核结构性质起着至关重要的作用，是原子核壳结构演化、集体性和形状变化的主要驱动力。近几十年来，人们在轻核区发现的原子核幻数产生或消失的现象大多数都与质子 - 中子相互作用息息相关。然而，在重核区，尤其是在中子壳 N = 126 附近的轻锕系核区，关于质子 - 中子相互作用导致原子核结构变化的实验证据还非常有限。

图 1： ^214,216 U 中质子 - 中子相互作用导致 α 粒子形成几率增强的示意图（张志远 / 图）

来自中科院近代物理所等单位的科研人员，利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪 SHANS 装置，在 N = 126 附近的轻锕系核区首次合成了新核素 ²¹⁴ U ，并同时精确测量了 ^216,218 U 的 α 衰变性质。其中，新核素 ²¹⁴ U 仅观察到两条 α 衰变链，其核反应的产生截面仅为 10pb ，是目前 SHANS 谱仪上合成的新核素中反应截面最低的原子核，也是目前发现的最轻的铀同位素。

根据新测量的实验数据，科研人员首次在重核区发现了强的质子 - 中子相互作用导致 α 衰变中 α 粒子预形成几率显著增强的现象。研究人员提取了偶偶核 α 衰变约化宽度的物理量，并研究了 Po-Pu 核区 α 衰变约化宽度的系统性。研究发现，质子 - 中子相互作用在 N < 126 偶偶核 α 衰变中起着关键作用：相互作用越强，约化衰变宽度也越大，因此 α 粒子的预形成几率也越大。

研究还发现， ^214,216 U 的 α 衰变宽度明显偏离了系统性趋势，大约是已知 Po-Th 核素衰变宽度的两倍。在大规模壳模型理论计算的支持下，这种奇特的 α 衰变宽度增强效应被成功地解释为占据 π1 f _7/2 轨道的价质子和占据 ν1 f _5/2 轨道的价中子间相互作用突然增强的结果。

该实验现象的发现也预示着在极端缺中子的超铀核区（ Z > 92, N < 126 ）存在类似的效应，将促进人们对原子核 α 衰变过程中 α 粒子预形成物理机制的更深入理解。

图2：实验测量的新核素 ²¹⁴ U 的两条α衰变链。（图源：PRL）

图3：Po-Pu偶偶核约化α衰变宽度随中子数(a)和 N _p N _n 值(b)变化的系统性，图中实心圆点表示本工作中提取的 ^214,216,218 U的α衰变宽度。 N _p 和 N _n 分别代表原子核中价质子和价中子的数目，它们的乘积一般用来衡量质子-中子相互作用的强度。(图源/PRL)

该研究主要由中科院近代物理所核物理中心新核素合成团队负责，联合同济大学、中科院理论物理所、中山大学、瑞典皇家理工学院、英国约克大学、北京大学、广西师范大学、南京航空航天大学、山东大学、辽宁师范大学等国内外 11 家单位共同完成。

研究工作得到了中国科学院 B 类先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、广西自然科学基金项目、中科院青年创新促进会以及英国科学技术装置委员会等项目的支持。

文章链接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.152502

Physics 杂志报道链接： https://physics.aps.org/articles/v14/s43

（超重核与核结构室  供稿）

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