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得益于探测器阵列的优秀性能,我们观察到了大量新的βp衰变分支,并首次在22Si中发现了β2p衰变模式。经过详细的数据处理,获得了sd壳层15个丰质子核的半衰期、衰变子核的质量、βp和β2p以及βγ的能谱、衰变分支比(
$ br $ )和比较半衰期($\log ft $ )等丰富的谱学信息,并且通过p-γ符合确定了衰变的初末态,重构了衰变纲图。下面先就实验确定的半衰期、衰变模式等基本性质做一个概述,然后以20Mg和22Si 以及26P和27S 为例做进一步的描述,并对相关的话题做一个初步探讨。
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寿命是原子核的一个基本属性。对于β衰变核,其寿命一般在ms量级。在βp衰变过程中,由于β衰变子核发射质子的时间极短,因此可以通过拟合质子计数随时间的变化曲线,即衰变时间曲线来确定母核(先驱核)的半衰期。需要指出的是,如果βp的子核乃至孙子核等也发射质子的话(参见图1),而且它们的半衰期是可比拟的,这些过程的质子混在一起,实验上无法区分,只能通过解谱的办法确定各自的成分。为简单起见,这里仅考虑βp子核的影响,拟合公式可写为
$$ \begin{split} y =\ & B + \frac{{\ln}2}{T_{1/2}} N e^{-\frac{t{\ln}2}{T_{1/2}}} +\\ &\varepsilon^{{\text{β}} {\rm{p}}}\frac{{\ln}2}{T_{1/2}} N \frac{\dfrac{{\ln}2}{T^{{\text{β}} {\rm{p}}}_{1/2}}}{\dfrac{{\ln}2}{T^{{\text{β}} {\rm{p}}}_{1/2}}-\dfrac{{\ln}2}{T_{1/2}}} \left(e^{-\frac{t{\ln}2}{T_{1/2}}}-e^{-\frac{t{\ln}2}{T^{{\text{β}} {\rm{p}}}_{1/2}}}\right), \end{split} $$ (1) 式中:
$ B $ 是本底,一般取常数,在偶然符合概率很低的情况下可以忽略;$ T_{1/2} $ 和$ T^{{\,\text{β}} {\rm{p}}}_{1/2} $ 分别是先驱核和$ {\text{β}} {\rm{p}} $ 子核的半衰期;$ N $ 是计数,随时间$ t $ 变化;$ \varepsilon^{{\text{β}} {\rm{p}}} $ 是βp子核发射质子的分支比。如果不考虑βp子核的质子发射,式(1)右边取前两项即可。以22Si为例,其βp子核21Mg也具有βp衰变。图5的(a)和(b)分别显示了不考虑和考虑βp子核发射质子的拟合结果。可以看到,二者的结果有一定的差别。当然,子核的半衰期
$ T^{{\text{β}} p}_{1/2} $ 和质子分支比$ \varepsilon^{{\text{β}} p} $ 对拟合结果有一定的影响。考虑到β衰变后子核以及孙子核等后代的$ Q_{{\text{β}}^{+}} $ 依次减小,因此可以考虑采用高能衰变质子的衰变曲线做拟合,这样可排除后续衰变质子的影响。例如,对22Si βp衰变的608 keV质子的拟合[20],得到半衰期为27.8(35) ms,这与图5(b)的结果在误差范围内是一致的。表1列出了本工作中所测量的核素、观察到的衰变模式、测定的半衰期和发表文章的情况。
表 1 本工作测量的核素、观察到的衰变模式、测定的半衰期和发表的文章
核素 衰变模式 半衰期/ms 文章 20Mg βp, βα 90.0(6)† [18, 19] 21Mg βp, βpα 121.9(6) [23] 22Al βp, β2p 90.8(13) [21, 24] 23Al βp [16] 22Si βp, β2p* 27.8(35) [17, 20] 23Si βp, β2p 40.2(19) [22] 24Si βp 143.4(22) [16, 17] 25Si βp 218.0(4) 26P βp β2p 43.6(3)† [27] 27P βp 27S βp, β2p 16.27(16)† [25] 28S βp 124(2) 29S βp 189(10) 36Ca βp 100.0(24) [15] 37Ca βp 180.5(21) [15] *本工作新发现的衰变模式
†本工作结果发表时精度最高的半衰期数据 -
20Mg衰变的研究工作较多,其βp衰变到19Ne 4 033 keV态上的后续α衰变,与核天体关键反应15O(
$ {\rm{\alpha}}, {\rm{\gamma}} $ )密切相关,因此倍受关注。在本工作中,我们观察到了11个βp衰变峰,其中位于2 256(18) keV的峰是新发现的一个衰变分支,半衰期与母核一致,分支比约0.3(1)%。受统计的限制,此次实验没有观察到19Ne在4 033 keV态上的布居,估计该衰变分支比的上限为7.5(19)%。此外,观察到了多个βα峰,来源于20Na的衰变。22Si是
$ A \leqslant 40 $ 核区唯一一个$ T_Z \!=\! -3 $ 的极端丰质子核,于1987年被首次发现[29]。1996年,Blank等[30]首次报道了在GANIL-LISE3上衰变实验的结果,观察到若干质子峰。由于没有与β符合,仅认定质子能量为1.99(5) MeV的峰为经由IAS态的βp衰变,分支比为20(2)%。我们的实验是国际上第二例成功开展22Si衰变的实验。图6显示了一个初步的结果,可看到9个峰,如1~9所示,其中:(1) 2~8是βp衰变,除了4号峰与之前观察到的衰变分支符合外,其余都是新观察到的分支,这里面可能包含子核21Mg的衰变质子,而且有些分支的统计很低,需要进一步的分析确认;(2) 9号峰仅一个计数,但是与其它探测器符合并能量相加后,共得到5个事件,仔细分析后确认是β2p衰变,能量为5 600(70) keV,分支比为0.7(3)%,这是在22Si中新发现的一个衰变模式;(3) 1号峰怀疑是直接2p发射,但能量十分接近阈值,受β堆积的影响,不能确认。作为参考,各个峰的能量、分支比和衰变模式也列在图中。22Si的质量是人们关注的热点,牵涉到它处于滴线内还是滴线外的问题,但目前尚没有直接的测量结果。从我们的实验结果,分别根据库仑置换能公式[31]和同位旋多重态质量公式(IMME)[32],可以推导出22Si的2p分离能
$ S_{\rm{2p}} \!=\! -108(125) $ keV和$ S_{\rm{2p}} \!=\! -15 $ keV。这个结果表明:22Si是一个非常临界的核。注意到20Mg和22Si都是$ N = 8 $ 的中子幻数核,而同样$ N \!=\! 8 $ 的19Na和21Al是非束缚核,这表明核内的质子对关联以及可能的三体力扮演了重要角色。最近Holt等[33]用三体力模型分析了这些核的结构性质,表明22Si的质量对三体力非常敏感。我们的结果支持$ sdf_{7/2}p_{3/2} $ 价空间的计算结果,是三体力存在的一个强烈信号。 -
对于丰质子P和S同位素,此前我们在28,29S(
$ Z \!=\! 16 $ )的高激发态上观察到了明显的2He集团发射的现象,但在27,28P($ Z \!=\! 15 $ )中没有观察到,表明了这种奇异衰变与核内的p-p关联、双质子晕(皮)结构以及双质子的构型等密切相关[5,8,12]。在本工作中,我们主要研究丰质子P和S同位素基态的βp和β2p衰变,并推进到滴线。实验中,共有
$ 4.7 \times 10^4 $ 个27S被注入到DSSD中,是国际上最高的统计,由此获得了精度最高的半衰期$ T_{1/2}(^{27}{\rm{S}}) \!=\! (16.27 \pm 0.16) $ ms。经过细致的数据分析,共确认了27条βp衰变分支。除了其中4条$ br > 5.7\% $ 的分支是此前已知的外,其余24条分支是新发现的,分支比低至0.3%。此外,在6 372(15) keV处,确认了1条β2p衰变,统计达百余个事件,可进一步开展p-p关联的分析。对于26P,注入的粒子数有$ 3.0 \times 10^5 $ 个。同样地,获得了精度最高的半衰期$ T_{1/2}(^{26}{\rm{P}}) \!=\! (43.6 \pm 0.3) $ ms,观察到多个βp和β2p衰变分支,但目前仅对低能的5条分支做了详细分析。值得一提的是,本工作对26P和27S开展了βp和βγ同时测量的实验,其中27S是首次开展的。通过高精度的衰变质子能谱和衰变
$ {\rm{\gamma}} $ 能谱,可以很好地确定衰变子核的质量。例如,27S β衰变子核27P的质量过剩被确定为$ \Delta(^{27}{\rm{P}}) \!=\! (-659 \pm 9) $ keV,精度比HIRFL-CSR测量的$ (-685 \pm 42) $ keV[34]要高。更重要的是,通过对布居子核中相同能级的βp和βγ关联测量,可以获得质子与γ的衰变强度比$ I_{\rm{p}}/I_{{\text{γ}}} $ (或衰变 宽度比p, γ),这样可以反推核天体感兴趣的$ ({\rm{p}},\,{\rm{\gamma}}) $ 反应截面。对于27S的β衰变子核27P,确定了2个感兴趣低激发态的p和γ衰变,如图7所示。实验测定的
$ I_{\rm{p}} $ 和$ I_{{\text{γ}}} $ 以及相关测量值也显示在图中,除了26Si的质量取自AME2016[35]外,其余都是本工作的测量值。从p和γ衰变分支比确定了$ ^{26}{\rm{Si}}({\rm{p}},\,{\text{γ}})^{27}{\rm{P}} $ 的反应率,如图8(a)所示,总反应率与目前推荐值[36]的比例显示在图8(b)。可以看到,在0.1 GK温度附近,我们的反应率要比Iliadis等的推荐值低了2个量级左右。同样地,对于26P的β衰变子核26Si,确定了4个感兴趣低激发态的p和γ衰变,抽取了它们的分支比,计算了$ ^{25}{\rm{Al}}(p,\,{\rm{\gamma}})^{26}{\rm{Si}} $ 的各个态的反应率和总反应率。结果显示,在0.1 GK温度附近,我们的反应率要比Iliadis等人的推荐值高了2个量级左右。注意到这两个反应率以及本工作其它几个核衰变抽取的反应率与银河系中26Al超丰问题[37]相关,需要进一步开展天体核合成的网络计算,以揭示上述反应率的改变对26Al丰度的影响。 -
在强相互作用过程中,同位旋自由度是守恒的;而在弱相互作用过程中,同位旋不一定守恒。丰质子核与 其镜像核的β衰变为我们提供了一个研究同位旋对称性的理想场所。表2列出了几个镜像核衰变的典型例子,其中丰质子核的数据是本工作的结果,对应镜像核的数据取自文献。表中给出了β衰变到子核各能级的自旋宇称(
$ J^{\pi} $ )、激发能($ E_{\rm{x}} $ )、分支比(br)和比较半衰期($ \log ft $ ),最后一列给出了镜像核衰变的不对称系数$ (\delta) $ :$$ \delta = \frac{ft^+}{ft^-}-1 {\text{。}} $$ (2) 从表2可以看到:(1) 在20Mg-20O和22Si-22O这两对镜像核的衰变中,存在一个极端不对称的衰变分支,
$ \delta $ 到了2左右,而另外一个衰变分支则基本上是对称的;(2) 在27S-27Na这一对镜像核的衰变中,也存在比较不对称的衰变分支,$ \delta $ 约在1左右;(3) 而29S-29Al这一对镜像核的衰变基本上是对称的。总体上看,不对称性与同位旋自由度相关,但没有明显的规律。从原则上说,β衰变与初末态的结构相关,因此价核子的组态、密度分布(如晕、皮结构)等应有重要影响。系统地理解表2乃至更多镜像核衰变的不对称性,有助于我们了解同位旋不守恒力的性质与作用,从而深刻理解同位旋对称性破缺的机制。表 2 镜像核衰变的相关参数及不对称性
$J^{\pi}$ 本工作结果 文献数据 $\delta$ $E_{\rm{x}}$/keV br/% logft $E_{\rm{x}}$/keV br/% logft 20Mg(0+) → 20Na 20O(0+) → 20F[38] $1^+$ 983.9(22) 66.9(46) 3.80(4) 1 056.848(4) 99.973(3) 3.740(6) 0.148(107) $1^+$ 2 998(13) 8.6(7) 4.15(4) 3 488.54(10) 0.027(3) 3.65(6) 2.16(53) 22Si(0+) → 22Al 22O(0+) → 22F[39] $1^+$ 905(50) 5.3(10) 5.09(9) 1 625 29(4) 4.6(1) 2.09(96) $1^+$ 2 145(50) 56.5(51) 3.83(5) 2 572 68(6) 3.8(1) -0.07(28) 27S(5/2+) → 27P 27Na(5/2+) → 27Mg[40] $3/2^+$ 1 125(2) 54.2(88) 4.44(8) 984.69(8) 85.8 4.30 0.38(26) $5/2^+$ 1 569(12) 8.9(10) 5.16(5) 1 698.06(10) 11.3 4.99 0.48(18) $5/2^+$ 1 861(13) 1.8(3) 5.82(8) 1 940.06(9) 0.5 6.3 –0.67 $3/2^+, 5/2^+$ 3 524(14) 0.6(2) 6.04(14) 3 490.9(4) 0.52 5.76 0.91(62) $(3/2^+, 5/2^+)$ 4 464(16) 0.3(2) 6.24(21) 4 150.0(5) 0.026 6.81 –0.73(14) $(3/2^+, 5/2^+)$ 4 875(13) 1.1(2) 5.59(8) 4 553.0(6) 0.17 5.82 –0.41(11) $(3/2^+, 5/2^+, 7/2^+)$ 4 506(13) 1.5(3) 5.50(7) 4 776.3(7) 0.16 5.75 –0.44(10) $(5/2^+)$ 5 021(15) 1.6(4) 5.39(9) 4 992.6(9) 0.18 5.59 –0.37(14) 29S(5/2+) → 29P 29Al(5/2+) → 29Si[41-42] $3/2^+$ 1 383(8) 24.7(52) 5.10(9) 1 273.391(9) 89.9(3) 5.050(5) 0.010(17) $5/2^+$ 1 953(19) 4.09(81) 5.78(9) 2 028.17(4) 3.8(1) 5.733(13) 0.008(15) $3/2^+$ 2 422(5) 18.9(20) 5.02(6) 2 425.99(3) 6.3(2) 5.026(15) –0.001(7)
β-delayed Decay Spectroscopies of Extremely Proton-rich Nuclei in sd-shell
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摘要: 远离β稳定线原子核的结构是当前核物理领域的一个前沿热点。β衰变谱学是研究核结构的重要方法,尤其适用于低产额的滴线核。本文回顾了近年来在RIBLL1装置上开展的sd壳区极丰质子核β延迟衰变谱学的实验研究。该工作获得了15个原子核精确的半衰期、衰变子核的质量、β延迟的质子和双质子发射以及
$\gamma $ 跃迁的能谱、分支比和比较半衰期等数据,并重建了衰变纲图,大大丰富了此区域内质子滴线附近原子核的衰变谱学信息。还介绍了探测器阵列和实验方法,概括了所研究核的衰变性质和半衰期等。特别地,对几个典型核,20Mg和22Si以及26P和27S的衰变性质进行了阐述。此外,对相关话题,如三体力、镜像核衰变不对称性、与银河系中26Al超丰问题相关的热核反应率等问题进行了探讨。Abstract: Structure of nucleus far from the β-stability line is a currently hot topic in the field of nuclear physics. The β-decay spectroscopy is an important method to study the nuclear structure, especially for the drip-line nuclei with low yield. This paper reviews the experimental studies of β-delayed decay spectroscopies for the extremely proton-rich nuclei in sd-shell recently carried out at the RIBLL1 facility. The precise data on half-lives, masses of decay daughter nuclei, energy spectra and branch ratios of β-delayed proton and two-proton decays as well as γ transitions for 15 nuclei have been obtained, which greatly enrich the spectroscopy information of the nuclei close to the proton drip-line in this region. In particular, the decay properties of some nuclei like 22Si and 20Mg as well as 27S and 26P are described in detail. Moreover, some hot topics related to the three-body force, the decay asymmetry of mirror nuclei, and the thermomuclear reaction rates related to the super-abundant issue of 26Al in the Milky Way are discussed. -
表 1 本工作测量的核素、观察到的衰变模式、测定的半衰期和发表的文章
核素 衰变模式 半衰期/ms 文章 20Mg βp, βα 90.0(6)† [18, 19] 21Mg βp, βpα 121.9(6) [23] 22Al βp, β2p 90.8(13) [21, 24] 23Al βp [16] 22Si βp, β2p* 27.8(35) [17, 20] 23Si βp, β2p 40.2(19) [22] 24Si βp 143.4(22) [16, 17] 25Si βp 218.0(4) 26P βp β2p 43.6(3)† [27] 27P βp 27S βp, β2p 16.27(16)† [25] 28S βp 124(2) 29S βp 189(10) 36Ca βp 100.0(24) [15] 37Ca βp 180.5(21) [15] *本工作新发现的衰变模式
†本工作结果发表时精度最高的半衰期数据表 2 镜像核衰变的相关参数及不对称性
$J^{\pi}$ 本工作结果 文献数据 $\delta$ $E_{\rm{x}}$ /keVbr/% logft $E_{\rm{x}}$ /keVbr/% logft 20Mg(0+) → 20Na 20O(0+) → 20F[38] $1^+$ 983.9(22) 66.9(46) 3.80(4) 1 056.848(4) 99.973(3) 3.740(6) 0.148(107) $1^+$ 2 998(13) 8.6(7) 4.15(4) 3 488.54(10) 0.027(3) 3.65(6) 2.16(53) 22Si(0+) → 22Al 22O(0+) → 22F[39] $1^+$ 905(50) 5.3(10) 5.09(9) 1 625 29(4) 4.6(1) 2.09(96) $1^+$ 2 145(50) 56.5(51) 3.83(5) 2 572 68(6) 3.8(1) -0.07(28) 27S(5/2+) → 27P 27Na(5/2+) → 27Mg[40] $3/2^+$ 1 125(2) 54.2(88) 4.44(8) 984.69(8) 85.8 4.30 0.38(26) $5/2^+$ 1 569(12) 8.9(10) 5.16(5) 1 698.06(10) 11.3 4.99 0.48(18) $5/2^+$ 1 861(13) 1.8(3) 5.82(8) 1 940.06(9) 0.5 6.3 –0.67 $3/2^+, 5/2^+$ 3 524(14) 0.6(2) 6.04(14) 3 490.9(4) 0.52 5.76 0.91(62) $(3/2^+, 5/2^+)$ 4 464(16) 0.3(2) 6.24(21) 4 150.0(5) 0.026 6.81 –0.73(14) $(3/2^+, 5/2^+)$ 4 875(13) 1.1(2) 5.59(8) 4 553.0(6) 0.17 5.82 –0.41(11) $(3/2^+, 5/2^+, 7/2^+)$ 4 506(13) 1.5(3) 5.50(7) 4 776.3(7) 0.16 5.75 –0.44(10) $(5/2^+)$ 5 021(15) 1.6(4) 5.39(9) 4 992.6(9) 0.18 5.59 –0.37(14) 29S(5/2+) → 29P 29Al(5/2+) → 29Si[41-42] $3/2^+$ 1 383(8) 24.7(52) 5.10(9) 1 273.391(9) 89.9(3) 5.050(5) 0.010(17) $5/2^+$ 1 953(19) 4.09(81) 5.78(9) 2 028.17(4) 3.8(1) 5.733(13) 0.008(15) $3/2^+$ 2 422(5) 18.9(20) 5.02(6) 2 425.99(3) 6.3(2) 5.026(15) –0.001(7) -
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