核衰變過程的研究對于理解原子核的復雜運作至關重要。在這些過程中，雙光子或雙伽馬(2γ)衰變尤為引人注目。這種二階電磁過程涉及處于激發(fā)態(tài)的原子核同時發(fā)射兩個伽馬射線。

然而問題在于，這種衰變極其罕見，難以直接測量。最近，發(fā)表在《物理評論快報》上的一項研究，首次測量了鍺-72中的孤立核雙光子衰變，為在特定條件下原子核的行為提供了新的見解。

雙光子衰變之謎

想象一個被激發(fā)的原子核，充滿了之前相互作用產(chǎn)生的能量。在典型的衰變中，這種能量會以單個γ射線（高能光包）的形式釋放出來。然而，在罕見的雙光子衰變情況下，原子核會采取不同的途徑。它會先經(jīng)歷一個虛擬躍遷，暫時從周圍的真空借取能量，來創(chuàng)造一對帶相反電荷的粒子——正負電子對。正負電子對的存在并不長久，它們隨后會相互湮滅，以同時發(fā)射兩種伽馬射線的形式釋放能量。

這種過程的罕見性源于電子-正電子對的虛擬性質。它們的產(chǎn)生和湮滅發(fā)生得如此之快，以至于無法直接觀察。此外，發(fā)射γ射線的能量受到電子-正電子對質量的限制，將衰變限制在激發(fā)態(tài)原子核能量低于特定閾值的條件下。

鍺-72實驗

研究團隊精心設計了他們的實驗，以克服這些挑戰(zhàn)并直接測量鍺-72中的雙光子衰變率。他們采用了獨特的技術組合。首先，他們使用了一個儲存環(huán)，一種粒子加速器，它將離子限制在一個圓形路徑中。這使他們能夠分離鍺-72原子核并在受控環(huán)境中研究它們。來源: www.ws46.com

接下來，他們在儲存環(huán)內利用了一種稱為“等時模式”的特殊操作模式。這種模式確保了所有的離子，不管它們的能量如何，都以相同的速度在環(huán)上運動。最后，他們加入了肖特基共振腔，一種可以與離子相互作用并操縱其能級的專用設備。

這種設置使研究人員能夠創(chuàng)造一種場景，在這種場景下，激發(fā)態(tài)鍺-72原子被“剝奪”了電子，只剩下裸露的原子核。這一關鍵步驟消除了原子軌道內電子-正電子對產(chǎn)生的可能性，從而使孤立的核雙光子衰變得以發(fā)生。

實驗結果

實驗取得了令人矚目的結果。研究人員確定了裸鍺-72原子核中第一個激發(fā)態(tài)的孤立核雙光子衰變半衰期約為23.9毫秒。該值與現(xiàn)有理論模型預測的值存在偏差

這一意外結果引起了核物理學界的極大興奮。它表明我們目前對雙光子衰變過程的理解可能是不完整的。需要進一步研究以完善理論模型并解釋觀察到的差異。

探索原子核的意義

這一實驗的發(fā)現(xiàn)對核物理學有幾項重要意義。首先，它們提供了對雙光子衰變過程及其對核結構和環(huán)境條件依賴性的更深入理解。其次，能夠在裸核中測量這種衰變?yōu)檠芯科渌郧盁o法接觸的稀有核過程開辟了新途徑。

此外，為這一實驗開發(fā)的技術可以應用于其他同質異能體和核，可能導致新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)有核模型的改進。觀察到的理論預測偏差也強調了需要進一步的理論和實驗工作，以完全理解2γ衰變的基本機制。