近日，中国科学院上海应用物理研究所核物理研究室马余刚课题组与其合作者，在丰质子核²²Mg与²³Al的双质子发射实验测量中观测到²²Mg在14.044 MeV激发态附近存在着稀有的²He集团的双质子发射现象，而相应的临近核²³Al不存在²He集团发射的实验现象，深化了人们对奇特丰质子核特性的认识。相关工作发表在国际权威刊物《物理快报B》(Phys. Lett. B 743, 306 (2015) )上。

自1896年法国物理学家贝克勒尔首先发现了铀原子核的天然放射性以来，人们对物质的微观结构有了全新的认识，并由此打开了原子核物理学研究的大门。不稳定原子核常见的衰变方式有α、β、γ衰变等，而双质子发射是六十多年前理论核物理学家预言在质子滴线附近的偶Z核中可能存在的一种奇特的衰变方式，即原子核通过同时发射两个质子的方式进行衰变。由于双质子发射是在丰质子核中才存在的稀有过程，这一预言直到十多年前才在实验中被明确证实。双质子发射涉及一个核芯和两个质子，发射方式比单个质子的发射过程要复杂得多，因此研究十分困难。大致来说，双质子发射的机制可以分为三种：第一种为级联发射，初态核先发射一个质子到中间态，然后再发射一个质子到末态；第二种为直接三体发射，即核芯与两个质子同时破裂，此时的质子除末态相互作用外没有任何关联；第三种为双质子同时发射，也称为²He集团发射，即两个关联的质子形成一个准束缚的¹S₀态被发射出来，然后再分开成两个质子。前两种方式基本上是无关联的质子发射过程，后一种方式才是人们感兴趣的双质子发射。由于发射出的两个质子间的动量和角度关联包含了核子波函数的具体形态及核子间的相互作用等信息，因而对核结构的研究具有非常重要的科学意义。到目前为止发现的双质子发射核只有少数几个，这给双质子衰变的系统研究带来了很大的限制。为了进一步开展这方面的研究，目前世界上各大国立实验室都在努力发现更多的双质子发射核，并对双质子衰变的机制进行深入系统的实验及理论研究。

上海应用物理研究所马余刚课题组向日本理化学研究所提出的丰质子²²Mg与²³Al质子关联测量实验方案，通过国际竞争得到了日本理化学研究所加速器装置的RIPS次级束流线上一周的束流时间。马余刚带领他的实验团队，与中国科学院近代物理研究所和日本合作者在RIPS上成功进行了²²Mg与²³Al激发态的双质子发射实验。次级束流²²Mg与²³Al是通过135 A MeV的²⁸Si打铍靶发生碎裂反应产生的，再通过RIPS束流线的选择得到纯度较高的²²Mg与 ²³Al。²²Mg与 ²³Al在反应靶室打碳靶被激发到特定的激发态，然后产生双质子发射。实验中探测器阵列同时测量了衰变的余核及两个质子。余核通过紧跟靶后的两层硅微条阵列及三层方硅阵列探测器测量，发射出的质子通过硅微条阵列探测器及后面由三层闪烁体探测器组成的阵列探测，实验测量中记录下的信号数量有200多路。通过仔细复杂的数据分析，得到了²²Mg与 ²³Al衰变发射的两个质子的相对动量、相对角度，并通过余核及两个质子的三体系统重构得出²²Mg与 ²³Al衰变时的激发能。通过双质子发射理论模拟结果跟实验数据的比较分析，发现奇Z核²³Al不同激发能态的双质子衰变基本为三体衰变或级联衰变。国际上曾有实验发现偶Z核²²Mg的14.044 MeV激发态存在双质子衰变现象，但由于统计太低无法确定其机制；本次实验结果首次发现并确定²²Mg在这个激发态附近存在约30%的²He集团发射机制，另有约70%的几率为三体或级联的双质子发射过程。该工作提供了新的稀有的双质子发射的实验数据，对理解丰质子体系核子——核子关联具有重要意义，丰富了人们对丰质子核的奇特性质的认识。

该项研究得到了国家重点基础研究计划(973计划)、国家自然科学基金“重离子物理”创新群体等共同资助。（核物理研究室供稿）