研究结果暗示²⁹F和²⁸O中存在超流体相

日本理化学研究所 RI 束流工厂 (RIBF) 的 SAMURAI 光谱仪收集的数据最近探测到了一种稀有的氟 (F) 同位素，即30 F。这为研究稀有核结构和相应相开辟了有趣的可能性，进而有助于检验各种物理理论。

SAMURAI21-NeuLAND 合作组织是一个由大量研究人员组成的大型合作组织，其中包括日本理化学研究所、德国 GSI-FAIR 和达姆施塔特工业大学的物理学家以及来自世界各地其他研究机构的物理学家，他们致力于研究新发现的30 F 同位素的光谱和中子分离能。

他们的研究成果发表在《物理评论快报》上，暗示同位素 29 F 和28 O中存在超流体状态。

“我们正在探索核素图表上中子最丰富的原子核，突破存在的界限，”该论文的通讯作者朱利安·卡尔博告诉 Phys.org。“到目前为止，我们知道氖 (Ne) 和 F 同位素的中子丰富极限，最后一种氟同位素是31 F。

“我们最初的目标是研究核结构在极端条件下的行为，特别是确定核‘神奇数字’是否成立。”

当中子数为 N=20 时，原子核结构通常表现出较大的能隙。作为研究的一部分，Kahlbow 和他的同事探索了之前报道过的中子丰富的 Ne 与稍重的原子核之间的冲突，对于后者，这种能隙被打破，形成了所谓的“反转岛”，而28 O 原子核据说是“魔力”的两倍。

“介于这两种同位素之间的是29 F 和30 F，”Kahlbow 解释道。“我们对30 F一无所知，因为它不结合，存在时间只有大约 10-20秒，因此测量起来非常困难。”

“我和我的同事首次测量了30 F 的质量，这是任何原子核的基本量。通过测量30 F 的质量(即其中子分离能)，我们得出结论，‘魔力’消失的区域也延伸到了 F 同位素。”

通过测量30 F的质量，研究人员能够收集有关核素图表(即所有已知同位素的图形表示，根据原子核中的质子和中子数量排列)中这一特定部分的更多信息。这反过来又导致了更令人惊讶的结果。

“ 30 F 是一种非结合原子核，这意味着它会在 10 -20秒内衰变，因此无法直接测量，”Kahlbow 说道。“但是，通过分析衰变产物，我们可以通过测量29 F 和一个中子来重建30 F。”

首先，Kahlbow 和他的同事利用日本 RIBF/RIKEN 设施的 BigRIPS 碎片分离器产生了31 Ne离子束。这束以大约 60% 光速传播的离子束被导向液态氢靶，击出一个质子，从而产生了30 F，后者立即衰变为29 F 和一个中子。

中子和29 F 同位素的测量数据均在 SAMURAI 实验现场收集。不过，为了测量中子，该团队使用了一台 4 吨重的中子探测器 NeuLAND，该探测器专门为该研究项目从德国的 GSI-FAIR 研究机构运往日本。

核素图示意图，表明氟同位素中中子分离能(红线)的趋势，以及30 F 的新结果。没有出现急剧下降，证明中子魔数在 N=20 时崩溃。对于28 O 和29 F，形成具有中子对的超流体相。图片来源：Julian Kahlbow

“这项研究是 80 多人共同进行的一项大型团队工作，他们结合了来自世界各地在最佳加速器设施工作的专业知识，”卡尔博说。“在数据分析中，利用29 F 和中子的动量测量信息，重建了30 F的能谱，我们成功地确定了基态共振和质量。”

SAMURAI21/NeuLAND 合作组织最近的这项研究可能为30 F 同位素和28 O周围其他有趣的同位素的研究开辟新的机会。这种氧同位素也是最近在 RIKEN 检测和测量的，其特点是原子核衰变成四个中子和24 O。

“根据我们的研究结果，我们发现经典的原子核结构崩溃了，‘神奇数字’不再保持在 20 个中子(对于 Z=9,8)，”卡尔博解释道。

“我们推测28 O 和29 F 存在于核物质的超流体状态中。在我的法国同事 Olivier Sorlin 和理论家的帮助下，我们能够在原子核图的这个区域中识别出这种令人惊讶的物质状态。过剩的中子很可能成对出现，并很容易在不同的能级之间散射并占据不同的能级。”

值得注意的是，在核素图表中，纯超流体状态在同位素中很少见。此前，在较重的锡 (Sn) 同位素链中，在库珀对状状态下，中子对之间的距离很大，就发现了这种状态。

“在我们的研究中，我们首次提出了在弱束缚系统稳定边缘的超流体现象，”卡尔博说。“弱束缚或非束缚系统中的超流体现象可能意味着状态的变化，从远距离中子到近距离成对中子，接近玻色-爱因斯坦凝聚态的特征。”

SAMURAI21/NeuLAND 合作组收集的新测量数据可能对研究奇异同位素及其基础相具有重要意义。未来，它们可能为进一步测试核理论的实验铺平道路，并有可能带来意想不到的发现。

卡尔博说：“我们目前的结果表明29 F 和28 O中存在超流体相，我们计划在下一步对其进行详细研究，例如直接测量中子相关性和中子对的大小。”

“总的来说，配对相互作用向弱束缚系统的演变对于中子星建模中使用的状态方程也可能具有重要意义。”

研究人员进行的计算还表明29 F 和31 F 可能是晕核(即其中有一两个中子远离核芯运行的核)。在接下来的研究中，他们希望在实验环境中调查这种可能性。

“此类研究将使我们能够了解氟同位素链中中子丰富原子核的惊人结构，”卡尔博补充道。“处于存在边缘的原子核图的整个区域仍未得到充分探索，直到最近由于加速器技术的进步才得以进入。

“因此，我们的工作为发现和研究中子极其丰富的原子核的惊人行为和特性提供了机会。”