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近日，一支由多个研究团队组成的国际合作团队的科研人员在利用储存环等时性质谱仪测量原子核的双光子衰变研究方面取得新进展。研究成果发表在《物理学评论快报》上，近代物理所核物理中心储存环核物理室作为主要贡献团队参与合作完成。科研人员介绍，处于激发态的原子核可以通过γ衰变、内转换电子衰变、正电子-电子对衰变以及双光子衰变4种方法衰变到基态。在原子核的双光子衰变中，处于激发态的原子核同时发射两个伽马光子，该衰变过程是电磁跃迁过程中的一种普遍现象，但其强度较弱，难以观察。不过，借助实验室的条件，科研人员可以通过人为的条件设定，屏蔽原子核的其他衰变通道，对双光子衰变这一特定的衰变通道进行测量。科研人员将72Ge32+离子存储在德国亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）的ESR储存环中。72Ge32+原子核存在一个同质异能态，自旋宇称为0+。该能级衰变到基态0+时，由于以下3个原因，只能发生双光子衰变（参考下图左）：a）衰变前后，72Ge32+离子的自旋和宇称保持不变，而光子的角动量为1。由于动量守恒定律限制，无法发生γ衰变。b）72Ge32+离子核外没有原子电子，不能通过内转换衰变通道进行衰变。c）激发能量为691 keV，小于1022 keV。由于能量守恒律限制，无法发生正电子-电子对衰变。因此，储存在ESR中的72Ge32+离子只能发生双光子衰变。科研人员将ESR储存环的等时模式与Schottky共振腔结合起来，首次实现了激发能量低至约100 keV、半衰期短至约10毫秒的原子核同质异能态的直接测量。![]()
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图：72Ge32+离子的双光子衰变示意图（左）以及离子的回旋频率随时间变化的光谱图(右)。每一帧的时间间隔为9.22 毫秒。每种离子种类的功率谱密度与它们的离子数量成正比。通过实验，科研人员成功观测了72Ge32+离子的同质异能态的双光子衰变过程，并测量了激发能和双光子衰变半衰期。实验结果显示，72Ge32+离子的同质异能态0+的激发能为692.8（19）keV，和文献中的数值一致，而2γ衰变的半衰期为23.9(6)毫秒，显著偏离预期。实验结果表明，我们目前对双光子衰变过程的理解可能是不完整的，需要进一步研究以完善理论模型并解释观察到的差异。此外，此项实验开辟了通过实验室条件屏蔽原子核的衰变通道，并对某些稀有的衰变通道进行测量的新途径。为未来储存环质谱研究开辟了新的研究方向。论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.022502
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