今天，我們將探討一種非常罕見的放射性衰變模式，叫做β3αp衰變。這種衰變模式是指一個原子核通過β衰變轉(zhuǎn)變成另一個原子核，然后這個原子核又通過發(fā)射三個α粒子（即氦核）和一個質(zhì)子來釋放能量。這種衰變模式只有在一些非常缺乏中子的原子核中才可能發(fā)生，因為它們有很高的β衰變Q值（即β衰變釋放的能量），以及很低的α粒子和質(zhì)子分離能（即從原子核中移除一個α粒子或質(zhì)子所需的能量）。

為什么要研究β3αp衰變？

研究β3αp衰變有兩個主要的目的。第一個目的是探索原子核結(jié)構(gòu)中的一些奇異的現(xiàn)象，比如原子核中存在高度聚集的α粒子或質(zhì)子的配置。這些配置可以被視為原子核中的分子結(jié)構(gòu)，因為它們類似于化學分子中由原子鍵合形成的結(jié)構(gòu)。例如，13O可以被視為由9B和4He鍵合形成的分子結(jié)構(gòu)，而9B又可以被視為由5Li和4He鍵合形成的分子結(jié)構(gòu)。通過觀察β3αp衰變，我們可以探測到這些分子結(jié)構(gòu)對應的激發(fā)態(tài)，并且可以測量它們的能級、自旋、宇稱等性質(zhì)。

第二個目的是測試一些基本的物理理論，比如弱相互作用和電磁相互作用。弱相互作用是導致β衰變發(fā)生的力，而電磁相互作用是導致α粒子和質(zhì)子之間相互排斥或吸引的力。通過測量β3αp衰變的速率、角度分布、能量譜等參數(shù)，我們可以檢驗這些理論是否正確地描述了這種復雜的衰變過程，并且可以發(fā)現(xiàn)一些可能存在的新物理現(xiàn)象。

如何實驗觀測β3αp衰變？

實驗觀測β3αp衰變是非常困難的，因為它需要制造出大量的13O原子核，并且需要使用非常靈敏和精確的探測器來捕捉到低能量的α粒子和質(zhì)子。在最新的一篇論文中，作者使用了德克薩斯A&M大學回旋加速器研究所的一種新型探測器，叫做TexAT時間投影室。這種探測器可以在三維空間中重建出每個衰變事件發(fā)生時產(chǎn)生的所有粒子軌跡，并且可以區(qū)分出不同類型和能量的粒子。

作者使用了一種叫做一次一粒（one-at-a-time）的β延遲帶電粒子譜學的技術(shù)，即先用一個束流將13O原子核注入到TexAT探測器中，然后等待它們衰變，并且記錄下衰變產(chǎn)物的信息。

作者在實驗中觀測到了149個β3αp衰變事件，從而計算出了β3αp衰變的分支比為0.078(6)%。這意味著在每1000個13O原子核中，有大約0.8個會經(jīng)歷這種衰變模式。

這篇論文展示了一種新穎和有效的方法來研究元素中的罕見衰變模式，并且揭示了一些原子核結(jié)構(gòu)中的有趣現(xiàn)象。這些結(jié)果不僅增進了我們對原子核物理學的理解，也為未來更深入和廣泛的研究提供了啟示和動力。