科學(xué)家現(xiàn)在終于成功解釋了Be11（鈹）中子暈基態(tài)的神秘β延遲質(zhì)子衰變。在SMEC模型中的研究表明，集體共振的存在，攜帶了附近質(zhì)子衰變通道的許多特征，這解釋了這種令人費解的衰變。

這種近閾值共振態(tài)的出現(xiàn)，是任何開放量子系統(tǒng)中的普遍現(xiàn)象，在開放量子系統(tǒng)中，束縛態(tài)和非束縛態(tài)強烈地混合在一起（本文“燒腦”溫馨提示：如無相關(guān)知識基礎(chǔ)，你會看的一臉懵逼）。

原子團簇是亞原子物理中最令人費解的現(xiàn)象之一，這種結(jié)構(gòu)的許多例子包括具有兩個中子暈的Li 11（鋰）核基態(tài)，還有著名的C12（碳）霍伊爾共振，它在恒星中重元素合成中起著至關(guān)重要的作用。在天體物理條件下，閾值附近的窄共振是基本的，在這種條件下，大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在非常低的能量下。對于這些狀態(tài)，粒子發(fā)射通道可以有效地與其他類型的衰減競爭，例如光子發(fā)射。

在粒子發(fā)射閾值附近廣泛存在的窄共振現(xiàn)象表明，這是開放量子系統(tǒng)中普遍存在的一種現(xiàn)象，在開放量子系統(tǒng)中，束縛態(tài)和非束縛態(tài)強烈混合，導(dǎo)致具有附近衰變通道特征的集合態(tài)出現(xiàn)。其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上，來自波蘭克拉科夫的IFJ PAN、法國卡昂的GANIL和美國FRIB設(shè)備的物理學(xué)家，對Be 11 核弱束縛基態(tài)的β衰變延遲質(zhì)子發(fā)射做出了解釋。

在這個神秘兩階段過程的第一階段，具有暈環(huán)結(jié)構(gòu)的Be 11基態(tài)中子衰變?yōu)殡娮印⒎粗形⒆雍唾|(zhì)子，導(dǎo)致Be 11 基態(tài)向B 11（硼）共振轉(zhuǎn)變。在第二階段，質(zhì)子從這個共振發(fā)射到Be 10狀態(tài)。Be 11中存在1/2+總角動量和宇稱共振，這與附近質(zhì)子發(fā)射通道的許多特征相似，解釋了Be 11發(fā)生這種暈衰過程的可能性。B 11中質(zhì)子和氚發(fā)射閾值的接近表明，這種共振也可能包含氚團簇組態(tài)的混合物。

這項研究是基于鑲嵌在連續(xù)體中的殼模型(SMEC)進(jìn)行，粒子發(fā)射閾值（核子、氘、α粒子等）附近的狀態(tài)集團化度量是關(guān)聯(lián)能量，它是為SMEC的每個本征態(tài)計算。競爭效應(yīng)決定了最大集合化時的激發(fā)能量：耦合到衰變通道、庫侖勢壘和離心勢壘。波蘭科學(xué)院核物理研究所的Jacek Okolowicz教授解釋說：對于較高的角動量值(L>1)和/或耦合到帶電粒子發(fā)射通道，相關(guān)能量極值高于該通道的閾值能量。

在密歇根州立大學(xué)該小組最新的實驗工作中，觀察到B 11的質(zhì)子發(fā)射來自總角動量為1/2+或3/2+，能量為11.425(20)MeV，寬度為12(5)keV的態(tài)，它位于Be 11基態(tài)的衰變中。實驗中提出的B 11共振比質(zhì)子發(fā)射閾值高197(20)keV，比中子發(fā)射閾值低29(20)keV。使用SMEC模型理論研究包括殼模型的分立態(tài)核子-核子有效相互作用，以及描述離散束縛態(tài)核子與連續(xù)態(tài)核子之間耦合的Wigner-Bartlett相互作用。

對B 11中Jπ=1/2+和3/2+態(tài)進(jìn)行了計算，確定了最有可能的共振角動量。殼層模型狀態(tài)通過與質(zhì)子和中子反應(yīng)通道的耦合進(jìn)行混合。只有第三激發(fā)態(tài)的1/2+態(tài)存在波函數(shù)集團化現(xiàn)象，其最大關(guān)聯(lián)能位于質(zhì)子發(fā)射閾值以上142keV處。由此得出結(jié)論，B 11 中介導(dǎo) Be 11基態(tài)衰變的共振必須具有總角動量和宇稱Jπ=1/2+。11.600(20)MeV處窄的5/2+共振略高于中子發(fā)射閾值，被中子或α粒子發(fā)射擊穿，對B 10中子俘獲截面值有顯著影響。

這個巨大的截面表明，通過耦合到附近的中子發(fā)射通道，5/2+共振波函數(shù)被強烈修改。實際上，在SMEC模型計算中，在中子發(fā)射閾值附近存在第六個5/2+態(tài)，它在L=2分波中強烈耦合到溝道[10B(3+)+n]5/2+。理論確定的最大集合態(tài)，比中子發(fā)射閾值高113keV，接近5/2+態(tài)的實驗?zāi)芰?。研究用中子暈研究了Be 11的β-p+衰變這一令人費解的案例。在SMEC模型中進(jìn)行的分析，證實了B 11在質(zhì)子發(fā)射閾值附近存在集體共振，并支持指定Jπ=1/2+量子數(shù)。

這種共振波函數(shù)類似于附近的質(zhì)子發(fā)射通道，這意味著在這個過程中，β衰變可以解釋為中子從Be 11暈到B 11共振的準(zhǔn)自由衰變，其中單個質(zhì)子與Be 10核耦合。Jπ=1/2+共振與通道[10Be+p]的相似性，也解釋了質(zhì)子衰變的光譜因子很大，而這種態(tài)的α衰變的部分寬度很小。然而，附近Jπ=3/2+態(tài)的性質(zhì)可以用α模型,第四個3/2+態(tài)來解釋，它主要是通過SMEC粒子的發(fā)射而衰變，而這種狀態(tài)很難耦合到一個中子或質(zhì)子的發(fā)射通道。

高于中子發(fā)射閾值[10B+n]的是5/2+共振，這對B 10中子俘獲至關(guān)重要。SMEC模型第六個5/2+態(tài)的波函數(shù)在中子發(fā)射閾值附近顯示出非常強的集合性，這解釋了B 10中子俘獲的巨大觀測截面。質(zhì)子(中子)發(fā)射閾值附近出現(xiàn)集體質(zhì)子(中子)共振的原因是L=0(L=2)與質(zhì)子(中子)散射態(tài)空間的耦合。在這一點上，B 11 案例遵循了C12、Li 11或F 15中閾值狀態(tài)的其他例子。未來需要對Be 10(p，p)Be 10反應(yīng)進(jìn)行實驗研究，以了解11.425 MeV質(zhì)子共振的本質(zhì)。

為了更好地計算出中子反應(yīng)通道和鄰近中子共振的性質(zhì)，需要觀測B10(d，p)Be 11反應(yīng)。此外，需要進(jìn)行廣泛的實驗和理論分析來確定β-p+通道的分支比，因為目前實驗值比SMEC模型的預(yù)測大2倍，未來的理論研究還應(yīng)解釋L=0虛擬中子態(tài)對反應(yīng)通道[B10+n]的影響。

博科園｜研究/來自：波蘭科學(xué)院核物理研究所

研究發(fā)表期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.042502

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