-
随着世界各地放射性核束装置的兴起,人们有能力产生远离β稳定线的原子核。尤其是在丰质子一侧,从氢到锕系核,基本上可以到达滴线甚至滴线外的区域。自然地,这些极丰质子核的结构成为了核物理领域的一个研究热点[1-3]。众所周知,β衰变谱学是研究核结构的有力工具,特别是对于滴线区域低产额的原子核。通过β衰变谱学,可开展如下研究:(1)滴线区乃至滴线外原子核的结构及其衰变性质;(2)核内有效相互作用,如对关联、三体力和同位旋非守恒力等;(3)核子-核子的关联,如初态关联、末态相互作用以及量子纠缠等;(4)核天体过程,如
$ ({\rm{p}},\,{\rm{\gamma}}) $ 、$ ({\rm{2p}},\,{\rm{\gamma}}) $ 和$ ({\rm{\alpha}},\,{\rm{\gamma}}) $ 等。对于同量异位素,随着原子核离开稳定线,其质量越来越大,这意味着其β衰变能(
$ Q_{\rm{EC}} $ 或Qβ+)越来越大。当它们发生β衰变后,可能布居在子核的高激发态上,此时仍有足够的能量通过发射一个或多个粒子甚至裂变进行退激,即βp, β2p, β3p, β$\gamma $ p, βα, β2α, βαp, βpα, βn, β2n, β3n以及β延迟的裂变($ {\rm{\beta}} {\rm{f}} $ )等过程,这些统称为奇异衰变。图1显示了丰质子核一些主要的β延迟衰变过程,其中经由同位旋相似态(IAS)的衰变尤其值得注意。在多粒子衰变过程中可能存在着粒子之间的关联发射现象,比如p-p关联的2He集团的发射等,这是当前非常引人的话题。前期我们在兰州重离子加速器放射性次级束流线(HIRFL-RIBLL1)[4]上,使用硅条探测器阵列,采用在束飞行衰变(in-flight decay)的方法,研究了丰质子核17,18Ne、27,28P和28,29S等激发态的双质子发射及相关现象[5-14]。在加速器人员和物理人员的共同努力下,RIBLL1的性能逐渐提升,使得在轻核区产生丰质子滴线核成为了可能。在前期工作的基础上,我们发展了连续束注入-衰变(implantation decay)的方法,于2011年起开始了sd壳层(
$ 10 \leqslant Z \leqslant 20 $ )丰质子核基态的β延迟衰变研究。此前国际上已有一些初步的研究,基本清楚了这个区域内原子核的衰变模式(如图2所示),但数据比较零散,统计普遍不足。我们期望获得更高的统计,对sd壳层丰质子核的衰变做一个系统性的研究,探索未知的衰变分支以及新的衰变模式。到目前为止,实验已经测量的核有20,21Mg、22,23Al、22,23,24,25Si、26,27P、27,28,29S和36,37Ca等十余个核,部分结果已发表[15-27],主要聚焦于βp和β2p的衰变以及相关问题的研究上。下面就实验设置和实验方法、几个典型核的衰变谱学及其相关物理问题做一个简要回顾,最后给出总结和展望。 -
实验在中国科学院近代物理研究所的HIRFL-RIBLL1装置[4]上完成。从分离扇回旋加速器引出能量约80 MeV/u的28Si、32S和40Ca束流,轰击T0靶室内厚度约1 000~1 500 μm的金属Be靶,由弹核碎裂分别产生Si/Al/Mg、S/P和Ca的丰质子同位素,经RIBLL1采用
$ B\rho-\Delta E\!-\!B\rho $ 方法纯化感兴趣的次级束流,最后传输至T2靶室开展实验测量。这里ΔE是由厚度约500 μm的Al降能片提供。RIBLL1设置的优化采用LISE++[28]软件完成。到目前为止,我们在RIBLL1上共开展了5次此类实验。随着实验经验的积累,所用探测器阵列也在逐次优化,但总体结构基本一致。图3显示了2017年实验的设置情况。在T1和T2靶室分别装有塑料闪烁体,提供束流粒子的飞行时间(ToF),结合由2块厚度约 300 μm的四分硅探测器(QSD)给出的能损信号
$ \Delta E_1 $ 和$ \Delta E_2 $ 做束流粒子的鉴别。阵列的核心是3 块双面硅条探测器DSSD1-3,厚度分别约为140, 40和300 μm,主要用来停阻入射粒子并测量其衰变的粒子。这3块DSSD都是16条×16条构型,条宽3 mm,间距0.1 mm,有一定的位置分辨能力。使用DSSD探测器的重要优点是:(1) 通过注入粒子与衰变粒子之间的位置关联,大幅度降低偶然符合的事件率;(2) 由于每个硅条的分流,整块探测器可承受的计数率以及剂量率大大提升。这样,可以采用连续束注入-衰变的模式,提升束流利用率和实验效率。使用3块厚度不同DSSD探测器的原因是兼顾衰变事件的 探测效率和能量分辨率:厚硅探测器对质子的探测效率高,但β能量沉积也多,造成质子峰的高能拖尾,影响能谱的分辨,而薄硅探测器正好相反。在上游放置了3组降能器,每组含3块面积为40 mm×40 mm但厚度不同的Al降能片,由步进电机驱动。总体上可以实现Al降能片的厚度在5~316 μm之间调节,步长~5 μm。通过调整降能片的厚度,保证注入的束流粒子停阻在DSSD1和DSSD2之间,以达到最佳探测效率和最佳能谱分辨。在DSSD探测器的下游放置3块QSD探测器,厚度分别为1 500, 300和300 μm,用以测量衰变的β粒子以及束流中的杂质轻离子。上述DSSD和QSD探测器的面积均为50 mm× 50 mm。在靶室外面,环绕核心探测器设置了5个Clover型的高纯锗(HPGe)探测器和3个溴化镧(LaBr3)探测器,用以测量衰变的$ {\rm{\gamma}} $ 射线。整套硅探测器和前放集成在PCB板制成的支架上,保证了良好的接地;同时用酒精循环制冷到0 ℃甚至更低,大大降低了电子学噪声。硅探测器的能量刻度分为两部分:高能部分由不同种类的束流粒子与LISE++计算对比并迭代完成,这部分主要针对束流粒子,不需要很高的精度;低能部分主要针对衰变产物,需要高精度。除了用Am-Pu-Cm三组份α源刻度外,还使用了内源刻度的方法,即利用束流上来的已知 高精度的βp衰变核注入探测器作为刻度源,典型的核有20Na和24,25Si等,这样可以消除探测器死层的影响,进一步提高精度。采取上述措施后,硅条探测器的能量探测阈值可低至~200 keV,能量分辨可达~35 keV;采用数字化波形采样技术后,能量探测阈和分辨可分别达到~100 keV和~20 keV。硅条探测器对质子的探测效率以及
$ {\rm{\gamma}} $ 探测器的探测效率也可以采用内源刻度的方法,并结合蒙特卡罗模拟完成。整个阵列对βp的探测效率大于50%,对β2p的探测效率大于20%,对βγ的探测效率大于0.5%。关于探测器阵列及其刻度的更多细节可参考文献[16-17,25]。作为一个例子,图4显示了20Mg和22Si实验次级束流的粒子鉴别情况。主束为能量75.8 MeV/u流强约40 enA的28Si。次级束流中20Mg的强度约0.72 pps,纯度约0.15%;而22Si的强度仅约
$ 3 \times 10^{-3} $ pps,纯度仅约$ 8 \times 10^{-4}\% $ ,共有$ 3.2 \times 10^{5} $ 个20Mg和$ 1.6 \times 10^{3} $ 个22Si被收集。 -
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。
-
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
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。
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) $ :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。$J^{\pi}$ 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) -
我们系统地研究了sd壳层15个丰质子核的β衰变性质,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、衰变分支比和比较半衰期等丰富的谱学信息,并通过p-γ符合确定了衰变的初末态,重构了衰变纲图。观察到了大量新的βp衰变分支,并首次在22Si中观察到了β2p衰变模式。对20Mg和22Si以及27S和26P的衰变做了进一步的阐述,并对相关话题,如三体力、核天体感兴趣的(p, γ)反应率和镜像核衰变不对称性等进行了探讨。
现有的结果仅是阶段性的,仍有大量的数据需要分析和挖掘。就丰质子核的衰变谱学而言,尚有大量的工作需要开展,例如:β2p过程中p-p的关联、22Si的精确质量、31Ar的β3p和35Ca的βα衰变等。随着HIRFL-RIBLL1性能的进一步提升以及今后HIAF的建成,有望开展更高壳层甚至滴线外核区的更加稀有的衰变研究,如:滴线外原子核直接的2p、3p发射、100Sn附近区域的超允许α衰变、重核区的βf衰变等。
致谢 感谢兰州重离子加速器国家实验室提供良好的研究条件以及HIRFL-RIBLL1人员提供品质优良的束流。本项研究依托RIBLL合作组,国内外有二十余家研究单位和近百名研究人员参与,在此一并表示感谢。
β-delayed Decay Spectroscopies of Extremely Proton-rich Nuclei in sd-shell
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC62
- Received Date: 2020-02-21
- Rev Recd Date: 2020-03-18
- Available Online: 2020-09-30
- Publish Date: 2020-09-20
-
Key words:
- extremely proton-rich nucleus /
- beta-delayed decay /
- half-life /
- astronuclear reaction /
- mirror asymmetry
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.
Citation: | Chengjian LIN, Xinxing XU, Lijie SUN, Huiming JIA, Lei YANG, Dongxi WANG, Nanru MA, Feng YANG, Fupeng ZHONG, Min PAN, Peiwei WEN, Yongjin YAO, Shanhao ZHONG, Tianpeng LUO, (RIBLL Collaboration). β-delayed Decay Spectroscopies of Extremely Proton-rich Nuclei in sd-shell[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 492-499. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC62 |