近日，6163银河线路检测中心技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室叶沿林课题组及其合作者通过在兰州重离子加速器国家实验室放射性束流线1号线（HIRFL-RIBLL1）开展的一项非弹激发和集团衰变实验，成功观测到了丰中子核碳-14（¹⁴C）中存在的线性链状分子结构（3个α集团成线性排列）。这一发现为认识不稳定原子核的奇特结构提供了重要线索，由此可以期待在比¹⁴C更重的丰中子体系里，此类“葫芦串”式的奇特结构会大量出现[图1(a)]。2023年8月19日，相关研究结果以“碳-14中线性链状集团结构的发现”（Nuclear linear-chain structure arises in carbon-14）为题，在线发表于《自然》（Nature）系列子刊《通讯-物理》（Communications Physics）。

图1：(a) 轻核区偶偶核中的集团和分子结构示意图（Z-质子数；N-中子数），其中粉红色衬底上展示的是叶沿林课题组工作发现的14C中的具有3-α核心的线性链状分子结构。根据反对称分子动力学（AMD）计算，绘制了碳同位素中三角形和链状结构的价中子构型（π²，σ²和π²σ²）。(b) 14C中线性链状分子转动带的激发能量-自旋（E_X-J）关联，其中能量和自旋的单位分别为MeV和约化普朗克常数ħ。

传统观念认为，原子核是由核子（中子和质子）组成的紧凑的近似球体，核子在原子核的平均场内几乎是独立运动的。然而，随着激发能量、角动量或同位旋不对称性（即中子与质子的比例）的增加，原子核的形状和内部结构会发生显著变化。在低密度的核环境中，部分核子的强关联可以在局域形成相对稳定的α、2n（双中子）或更重的集团（cluster）。例如，著名的¹²C Hoyle态（第二个O⁺态）是一个3-α凝聚态[图1(a)]，它在恒星中重元素合成过程中起着决定性作用。

理论预言碳同位素的激发态可能长成三个α集团排成一串的线性链状结购[图1(a)]。但多年研究表明，¹²C中的3-α结构难以稳定；而在丰中子碳同位素中，由于价中子的存在，在泡利不相容原理和量子态正交条件的驱动下，线性链状结构可以形成比较稳定的的共振态。尽管原子核集团结构的理论研究取得了显著进展，各种模型在理解和预言集团结构方面开展了大量工作，但直接的实验证据仍然非常有限。对于2-α核心的铍同位素，通过对衰变碎片的符合测量，人们成功地重建了那些具有显著集团结构的共振态。对于3-α核心的碳同位素，由于其衰变子核^10,12Be具有束缚的激发态，测量难以区分，因此实验上更具挑战性。受到实验分辨或放射性核束流强度的限制，提取激发态的自旋-宇称信息则更加困难。因此，¹⁴C中线性链状分子结构的存在一直以来难以确定。

为了确认¹⁴C中可能存在的线性链状分子结构，6163银河线路检测中心实验核物理团队及其合作者在HIRFL-RIBLL1实验终端开展了一项非弹激发和集团衰变实验。通过对末态粒子⁴He+¹⁰Be+¹He的高效率三重符合测量，获得了高分辨的反应Q值谱，为识别¹⁴C激发态的衰变路径和自旋分析奠定了基础。实验观察到了理论预言的¹⁴C的π型线性链分子转动带的前三个共振态成员，并进行了清晰的自旋-宇称分析[图1(b)]。这是首次确认了¹⁴C的π型线性链状分子转动带，这为轻核区丰中子核中线性链状集团结构的存在提供了强有力的证据，将推动这类奇特结构的进一步观测和研究。

6163银河线路检测中心技术物理系博士研究生韩家兴为论文第一作者，叶沿林为论文通讯作者；合作者包括来自中国科学院近代物理研究所、哈尔滨工程大学和内蒙古民族大学等单位的研究人员。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s42005-023-01342-6