核衰變過(guò)程的研究對(duì)于理解原子核的復(fù)雜運(yùn)作至關(guān)重要。在這些過(guò)程中，雙光子或雙伽馬(2γ)衰變尤為引人注目。這種二階電磁過(guò)程涉及處于激發(fā)態(tài)的原子核同時(shí)發(fā)射兩個(gè)伽馬射線(xiàn)。

然而問(wèn)題在于，這種衰變極其罕見(jiàn)，難以直接測(cè)量。最近，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)研究，首次測(cè)量了鍺-72中的孤立核雙光子衰變，為在特定條件下原子核的行為提供了新的見(jiàn)解。

雙光子衰變之謎

想象一個(gè)被激發(fā)的原子核，充滿(mǎn)了之前相互作用產(chǎn)生的能量。在典型的衰變中，這種能量會(huì)以單個(gè)γ射線(xiàn)（高能光包）的形式釋放出來(lái)。然而，在罕見(jiàn)的雙光子衰變情況下，原子核會(huì)采取不同的途徑。它會(huì)先經(jīng)歷一個(gè)虛擬躍遷，暫時(shí)從周?chē)恼婵战枞∧芰浚瑏?lái)創(chuàng)造一對(duì)帶相反電荷的粒子——正負(fù)電子對(duì)。正負(fù)電子對(duì)的存在并不長(zhǎng)久，它們隨后會(huì)相互湮滅，以同時(shí)發(fā)射兩種伽馬射線(xiàn)的形式釋放能量。

這種過(guò)程的罕見(jiàn)性源于電子-正電子對(duì)的虛擬性質(zhì)。它們的產(chǎn)生和湮滅發(fā)生得如此之快，以至于無(wú)法直接觀察。此外，發(fā)射γ射線(xiàn)的能量受到電子-正電子對(duì)質(zhì)量的限制，將衰變限制在激發(fā)態(tài)原子核能量低于特定閾值的條件下。

鍺-72實(shí)驗(yàn)

研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了他們的實(shí)驗(yàn)，以克服這些挑戰(zhàn)并直接測(cè)量鍺-72中的雙光子衰變率。他們采用了獨(dú)特的技術(shù)組合。首先，他們使用了一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，一種粒子加速器，它將離子限制在一個(gè)圓形路徑中。這使他們能夠分離鍺-72原子核并在受控環(huán)境中研究它們。來(lái)源: www.ws46.com

接下來(lái)，他們?cè)趦?chǔ)存環(huán)內(nèi)利用了一種稱(chēng)為“等時(shí)模式”的特殊操作模式。這種模式確保了所有的離子，不管它們的能量如何，都以相同的速度在環(huán)上運(yùn)動(dòng)。最后，他們加入了肖特基共振腔，一種可以與離子相互作用并操縱其能級(jí)的專(zhuān)用設(shè)備。

這種設(shè)置使研究人員能夠創(chuàng)造一種場(chǎng)景，在這種場(chǎng)景下，激發(fā)態(tài)鍺-72原子被“剝奪”了電子，只剩下裸露的原子核。這一關(guān)鍵步驟消除了原子軌道內(nèi)電子-正電子對(duì)產(chǎn)生的可能性，從而使孤立的核雙光子衰變得以發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)取得了令人矚目的結(jié)果。研究人員確定了裸鍺-72原子核中第一個(gè)激發(fā)態(tài)的孤立核雙光子衰變半衰期約為23.9毫秒。該值與現(xiàn)有理論模型預(yù)測(cè)的值存在偏差

這一意外結(jié)果引起了核物理學(xué)界的極大興奮。它表明我們目前對(duì)雙光子衰變過(guò)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。

探索原子核的意義

這一實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)對(duì)核物理學(xué)有幾項(xiàng)重要意義。首先，它們提供了對(duì)雙光子衰變過(guò)程及其對(duì)核結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件依賴(lài)性的更深入理解。其次，能夠在裸核中測(cè)量這種衰變?yōu)檠芯科渌郧盁o(wú)法接觸的稀有核過(guò)程開(kāi)辟了新途徑。

此外，為這一實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以應(yīng)用于其他同質(zhì)異能體和核，可能導(dǎo)致新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)有核模型的改進(jìn)。觀察到的理論預(yù)測(cè)偏差也強(qiáng)調(diào)了需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)工作，以完全理解2γ衰變的基本機(jī)制。