太棒啦，終於成功解釋：鈹11中子暈基態的神秘β延遲質子衰變！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網（www.bokeyuan.net）

科學家現在終於成功解釋了Be11（鈹）中子暈基態的神秘β延遲質子衰變。在SMEC模型中的研究表明，集體共振的存在，攜帶了附近質子衰變通道的許多特徵，這解釋了這種令人費解的衰變。這種近閾值共振態的出現，是任何開放量子系統中的普遍現象，在開放量子系統中，束縛態和非束縛態強烈地混合在一起（本文「燒腦」溫馨提示：如無相關知識基礎，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象之一，這種結構的許多例子包括具有兩個中子暈的Li 11（鋰）核基態，還有著名的C12（碳）霍伊爾共振，它在恆星中重元素合成中起著至關重要的作用。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，大多數反應發生在非常低的能量下。對於這些狀態，粒子發射通道可以有效地與其他類型的衰減競爭，例如光子發射。

在粒子發射閾值附近廣泛存在的窄共振現象表明，這是開放量子系統中普遍存在的一種現象，在開放量子系統中，束縛態和非束縛態強烈混合，導致具有附近衰變通道特徵的集合態出現。其研究成果發表在《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設備的物理學家，對Be 11 核弱束縛基態的β衰變延遲質子發射做出了解釋。

在這個神秘兩階段過程的第一階段，具有暈環結構的Be 11基態中子衰變為電子、反中微子和質子，導致Be 11 基態向B 11（硼）共振轉變。在第二階段，質子從這個共振發射到Be 10狀態。Be 11中存在1/2+總角動量和宇稱共振，這與附近質子發射通道的許多特徵相似，解釋了Be 11發生這種暈衰過程的可能性。B 11中質子和氚發射閾值的接近表明，這種共振也可能包含氚團簇組態的混合物。

這項研究是基於鑲嵌在連續體中的殼模型(SMEC)進行，粒子發射閾值（核子、氘、α粒子等）附近的狀態集團化度量是關聯能量，它是為SMEC的每個本徵態計算。競爭效應決定了最大集合化時的激發能量：耦合到衰變通道、庫侖勢壘和離心勢壘。波蘭科學院核物理研究所的Jacek Okolowicz教授解釋說：對於較高的角動量值(L>1)和/或耦合到帶電粒子發射通道，相關能量極值高於該通道的閾值能量。

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

對B 11中Jπ=1/2+和3/2+態進行了計算，確定了最有可能的共振角動量。殼層模型狀態通過與質子和中子反應通道的耦合進行混合。只有第三激發態的1/2+態存在波函數集團化現象，其最大關聯能位於質子發射閾值以上142keV處。由此得出結論，B 11 中介導 Be 11基態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+共振略高於中子發射閾值，被中子或α粒子發射擊穿，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射通道，5/2+共振波函數被強烈修改。實際上，在SMEC模型計算中，在中子發射閾值附近存在第六個5/2+態，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，比中子發射閾值高113keV，接近5/2+態的實驗能量。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模型中進行的分析，證實了B 11在質子發射閾值附近存在集體共振，並支持指定Jπ=1/2+量子數。

這種共振波函數類似於附近的質子發射通道，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共振的準自由衰變，其中單個質子與Be 10核耦合。Jπ=1/2+共振與通道[10Be+p]的相似性，也解釋了質子衰變的光譜因子很大，而這種態的α衰變的部分寬度很小。然而，附近Jπ=3/2+態的性質可以用α模型,第四個3/2+態來解釋，它主要是通過SMEC粒子的發射而衰變，而這種狀態很難耦合到一個中子或質子的發射通道。

高於中子發射閾值[10B+n]的是5/2+共振，這對B 10中子俘獲至關重要。SMEC模型第六個5/2+態的波函數在中子發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。質子(中子)發射閾值附近出現集體質子(中子)共振的原因是L=0(L=2)與質子(中子)散射態空間的耦合。在這一點上，B 11 案例遵循了C12、Li 11或F 15中閾值狀態的其他例子。未來需要對Be 10(p，p)Be 10反應進行實驗研究，以了解11.425 MeV質子共振的本質。

為了更好地計算出中子反應通道和鄰近中子共振的性質，需要觀測B10(d，p)Be 11反應。此外，需要進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模型的預測大2倍，未來的理論研究還應解釋L=0虛擬中子態對反應通道[B10+n]的影響。

博科園｜研究/來自：波蘭科學院核物理研究所

研究發表期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.042502

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 中子和質子的夸克有何不同,中微子雙β衰變意味著什麼?
    中微子雙β衰變的重要性只有跟著時間的線索進行追溯，我們才可以了解中微子雙β衰變的重要性。當時間回到19世紀末，能夠知道放射性衰變最初是什麼：Ernest Rutherford（歐內斯特·盧瑟福）發現了α，β和γ，這是三種不同的衰變，但它們之中的每一個都導致了不同類型的能量發射。
  • 網友問:中子可以衰變為質子嗎?
    中子可以通過「β衰變」釋放一個電子和一個反中微子，然後轉化為質子；自由中子的壽命大約是15分鐘，實驗物理學用不同方法測量中子壽命存在差異，這就是困擾科學家幾十年的中子衰變時間之謎。原子核由中子和質子構成，中子不帶電，質子帶一個單位的正電荷，中子和質子的質量很相近，它們都是由三個夸克組成，但是質子和中子的半衰期卻相差甚遠。自由質子非常穩定，日本超級神岡探測器測量的質子半衰期至少為10^35年（1000億億億年），理論物理學預言的質子半衰期也幾乎是這麼長的時間。
  • 暗物質之謎漸漸揭開:中子衰變而成?
    中子壽命究竟有多長，目前正處於爭論之中。現在，研究人員認為，如果中子存在可能衰變為暗物質的粒子，這一奧秘就能得到解決。暗物質是一種無形的物質，普遍認為它佔了宇宙所有物質的五分之四以上。現在，一系列的研究正在把這一假說付諸實踐。中子與質子和電子一起，構成了可見宇宙的大部分。
  • 藉助超級計算機,物理學家終於解決「β衰變難題」| Nat. Phys.
    原子核發生 β 衰變的速率要低於根據自由中子的 β 衰變速率計算得出的結果，五十年來物理學家一直沒有找到其中的原因。
  • 物理學家終於揭開物理學中的β衰變之謎!
    橡樹嶺國家實驗室，領導這項研究的科學家Gaute Hagen表示：幾十年來，科學家們對核衰變缺乏基本的了解，在這種衰變中，質子轉化為中子，或者中子轉化為質子，形成其他元素。 研究證明，理論模型和計算機已經發展到能夠以足夠的精度計算出一些衰變特性，以便與實驗進行直接比較的地步。
  • 物理學家終於揭開β衰變謎題!
    發表在《自然物理》期刊上的這一發現，填補了物理學家對β衰變理解上的一個長期空白。β衰變是恆星產生重元素的一個重要過程，強調在預測某些核反應過程時，需要考慮一些微妙的影響，或者更現實的物理因素。ORNL工作人員、領導這項研究的科學家高特哈根(Gaute Hagen)說：幾十年來，科學家們對核衰變缺乏基本的了解，在這種衰變中，質子轉化為中子，或者中子轉化為質子，形成其他元素。博科園-科學科普：研究團隊證明，理論模型和計算已經發展到能夠以足夠的精度計算出一些衰變特性，以便與實驗進行直接比較的地步。
  • 日本科學家加快放射性元素鈹7原子衰變速度
    放射性元素的衰變速度一向被認為是固定不變的，即使偶爾有變化也極其微校但日本科學家最近成功地使鈹7原子的衰變速度加快了1%左右，這是迄今人類對元素衰變速度造成的最大變化。有關方法將來可能用於更有效地處理核廢料。　　元素種類取決於原子　　核裡的質子數目。放射性元素的原子核有時會吸收或釋放出粒子，導致質子增加或減少，變成另一種元素，稱為衰變。
  • 尋找宇宙中最難捉摸的「無中子雙β衰變」努力失敗了！
    如果物理學家能夠在現實世界中發現這種衰變，將違反物理學的基本規則之一，並引發一場尋找新衰變的競賽。但是對於無中子雙β衰變的愛好者來說，這是個壞消息：一項持續時間最長的實驗結果顯示，這個過程沒有任何跡象（即失敗了，但沒有告終），這意味著，如果這個「獨角獸」過程真的發生了，那將是極其罕見，現在能做的就是繼續挖掘，祈禱好運。
  • 中子與質子的發現
    除了少數例外，一种放射性元素或者發射α射線、或者發射β射線，發射α射線的元素變成周期表中居於前兩位的元素，其質量減少4，發射β射線的變成周期表中居於下一位的元素，質量不變。伴隨著α或β衰變，常常會放射出γ射線，γ射線貫穿力特別強，是一種能量高的電磁輻射，γ射線不會引起元素在周期表上位置的變化，只是釋放該元素原子內部過剩的能量。
  • 高中物理:α衰變、β衰變規律對照表
    衰變的實質某元素的原子核同時放出由兩個質子和兩個中子組成的氦核是元素的原子核內的一個中子變成質子時放射出一個電子（鉛），下列說法正確的是（    ）A.鉛核比釷核少8個質子B.鉛核比釷核少16個中子C.共經過4次α衰變和6次β衰變D.共經過6次α衰變和4次β衰變解析：由原子核符號的意義
  • 科學網—新研究並未發現「無中微子雙β衰變」
    新研究沒有發現任何支持「無中微子雙β衰變」的證據。圖片來源：杜賓根大學 本報訊 粒子物理學家長期爭論的一個議題有望被解決——雖然是以一種不那麼激動人心的方式——而這一過程則得益於地下深處的一個超靈敏粒子探測器獲得的最新數據。
  • 新研究並未發現「無中微子雙β衰變」—新聞—科學網
    新研究沒有發現任何支持「無中微子雙β衰變」的證據。圖片來源：杜賓根大學 本報訊 粒子物理學家長期爭論的一個議題有望被解決——雖然是以一種不那麼激動人心的方式——而這一過程則得益於地下深處的一個超靈敏粒子探測器獲得的最新數據。
  • 原子、質子、中子、電子等微觀粒子有壽命嗎?
    我們先從α衰變說起，我們都知道原子和由原子核和電子構成的，而原子核內有質子和中子。但是很多元素的原子中的原子核都不太穩定，這個時候就會發出一個氦核，這個氦核是由2個質子和兩個中子構成的，也被我們叫做α粒子。常見的就是鈾-238通過α衰變，衰變成釷-234。
  • 為什麼說質子不能恢復中子？
    在上一篇文章中解釋了中子的衰變原因，今天就進一步解釋一下質子不能恢復中子的原因。如果沒有閱讀過前面文章的讀者朋友可能對下面的內容有點摸不著頭腦，敬請諒解！1.為什麼說質子不能恢復中子？因為中子能夠釋放電子成為氕原子，所以，所以目前的學術界大都認為質子也可以吸收電子轉化為中子。於是就有了星球演變能夠形成中子星的說法。
  • 為什麼中子很容易變成質子,反過來卻很難?
    我們知道原子序數定義了原子的化學性質，它代表原子核裡的質子數量，中子數則決定了同位素或核素。當原子核中的質子數與中子數量相當時，原子核表現穩定，而那些中子數量過多的核素就會發生β衰變，中子會變成質子。這源於中子的下夸克發生了變化。
  • 自由中子容易衰變的原因
    1.自由中子中三個夸克表現為中性，庫倫斥力消失，庫倫引力增大（因為兩個下夸克的電荷等於一個上夸克的電荷，所以三個夸克表現為中性，異性相吸），強作用力已難以調節。強力、庫倫引力和引力三力之間大小應為以下關係——庫倫引力+引力之>強作用力>引力或庫倫引力。
  • 中子
    α粒子轟擊輕元素鈹核，發現並未發射出質子，而放出了一種新的射線．這種射線幾乎不能使氣體電離，在電場和磁場中也不發生偏轉，是不帶電的，射線的貫穿能力強，他們認為這是γ射線．經檢測，射線的能量在10ＭeV左右，遠大於天然放射物質衰變時發出的γ射線的能量．
  • 日本科學家使放射性元素加快衰變
    新華社北京9月19日電 放射性元素的衰變速度一向被認為是固定不變的，即使偶爾有變化也極其微小。但日本科學家最近成功地使鈹7原子的衰變速度加快了1%左右，這是迄今人類對元素衰變速度造成的最大變化。有關方法將來可能用於更有效地處理核廢料。    元素種類取決於原子核裡的質子數目。
  • 怎麼解釋β衰變?
    我們都知道，原子是由原子核和電子構成，而原子核又是由質子和中子構成的。而質子是帶正電，中子不帶，這就意味著原子核其實是帶正電的。那問題就來了，原子核帶正電，而電子帶負電，根據異種電荷相吸引的原則，照理說電子應該會墜入到原子核當中才對，事實上，並沒有。那究竟是咋回事呢？