近期，beat365英国官网网站的孫保華教授和谷畑勇夫教授領導的核物理研究團隊與國際合作者一同系統測量了從锂至氧等24種同位素在900A MeV能區（~0.86倍光速）的碳和氫靶上的電荷改變反應截面，并提出了一種提取原子核點質子分布半徑的新方法。研究成果以“A new approach for deducing rms proton radii from charge-changing reactions of neutron-rich nuclei and the reaction-target dependence”為題在綜合性期刊Science Bulletin上發表 [Science Bulletin 69 (2024) 1647]。北航beat365英国官网网站孫保華教授和谷畑勇夫教授為共同通訊作者，北航beat365英国官网网站博士生張寂潮為第一作者，北航為第一單位。
原子核的尺寸有多大？質子和中子在原子核中是如何分布排列的？這些是核物理學中非常基本且至關重要的問題。R. Hofstadter（1961年諾貝爾物理學獎獲得者）等利用電子彈性散射方法，研究了穩定原子核内的電荷分布。然而，這一方法很難拓展到短壽命、不穩定的原子核。基于放射性核束裝置，高精度測量原子核在質子、碳等靶上的反應截面，探索不穩定原子核内核子密度分布，一直是核物理學研究的前沿課題。不同于理論非常完善的電子散射方法，将強子、重離子作為探針研究原子核，面臨着幾個關鍵難題：當前的核反應理論是否完善？如何高精度計算強子-原子核碰撞、重離子碰撞中的強相互作用？可否從不同能量、不同實驗靶的研究中得到自洽的結果？為了厘清這些問題，亟需在不同能量和靶核下，對同位素鍊開展系統測量，發展基于強子探針的實驗方法。
孫保華教授和谷畑勇夫教授領導的課題組，聯合國際合作者，利用德國GSI亥姆霍茲重離子研究中心的放射性核束裝置FRS，在900A MeV能區（~0.86倍光速），系統測量了從锂至氧等24種同位素在碳和氫靶上的電荷改變反應截面。數據涵蓋穩定核及至豐中子原子核，其中大多數為首次發布。該研究表明，在電荷改變反應中，直接移除質子的過程平均貢獻了總截面的約90%（碳靶）和75%（氫靶），但在各核素上的貢獻并不相同。研究發現并提出了一個唯象因子，标記在核核碰撞中先發生中子移除、然後級聯質子蒸發的過程，為質子蒸發過程的存在提供了實驗依據。考慮反應理論的唯象修正後，在統一的框架下，分别利用碳靶和氫靶數據，提取了碳同位素鍊(12,14–19C)和氮同位素鍊(14,15,17–22N)以及其他輕核的點質子分布半徑。發現随着中子數的增加，對于具有偶數質子的原子核，利用兩個反應靶提取的半徑吻合，但是對于具有奇數質子的原子核，從碳靶數據提取的半徑逐漸傾向于大于從氫靶中得到的結果，這需要實驗和理論上的進一步探索。
圖1: 電荷改變反應過程示意圖
電荷改變反應截面包含了兩個過程的貢獻。第一個是直接移除過程，即在反應中直接移除質子（或其他帶電粒核子）的過程，這一過程可以由Glauber模型理論計算。另一個過程為質子蒸發過程，分為兩個階段：在直接反應階段首先移除一個或多個中子，留下一個高激發态的剩餘核；剩餘核随後級聯蒸發出帶電粒子（通常為質子）。
圖2：在不同靶上核反應中質子蒸發過程的貢獻占比
實測截面與理論截面的比值與S1顯示出強的線性關聯，其中理論截面代表的是直接質子移除過程，S1因子（S1NAZ=SnNAZ+Sp(N-1A-1Z)）反映了單中子移除後、級聯蒸發單質子的概率。圖中的彩色數據點代表點質子分布半徑已知的穩定原子核；半透明符号代表拟研究的半徑未知的不穩定原子核，。這些原子核的半徑可以通過内插、而非外推的方式提取。質子蒸發過程在碳靶上的電荷反應截面中占比為10% – 15%，在氫靶的截面中占比為20% – 30%。
圖3：利用碳靶和氫靶數據提取的輕原子核的點質子分布半徑
圖(a)和(b)分别展示了在這兩種靶上獲得的具有奇數與偶數質子的原子核的半徑之差。對于具有偶數質子的原子核，兩種個半徑相互吻合；對于具有奇數質子的原子核，随着同位旋的增加，兩種半徑的差異趨向于逐漸增大，。這可能與強子探針效應、點質子密度分布形式等有關。
該研究得到了國家自然科學基金委以及國家領軍人才支持計劃等大力支持。
論文鍊接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732400207X
Science Bulletin公衆号新聞鍊接：
https://mp.weixin.qq.com/s/G915B9fL5zuDQEuYxTpn8g
