美国FRIB研究揭示低能伽马射线增强源于原子核磁跃迁

由美国稀有同位素束流装置(FRIB)牵头、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)等机构参与的国际研究团队近日在《自然》发表研究成果，解释了核物理领域长期存在的一个疑问：为什么部分原子核会发射出异常增多的低能伽马射线。

图片：FRIB

伽马射线是一类电磁辐射。处于激发态的原子核在放射性衰变过程中释放伽马射线，并逐步回到更低、更稳定的能级。过去几十年中，科学家发现某些原子核会出现“低能增强”现象，即低能伽马射线发射数量高于预期。但这种现象并非普遍存在，理论上也难以预测其出现位置。

研究团队此次测量了放射性铜同位素衰变为锌时产生的伽马射线辐射。借助FRIB的束流能力和专用仪器，科学家区分出两类不同的衰变状态：一类与电跃迁有关，即铜衰变过程中原子核内质子重新排列;另一类与磁跃迁有关，即原子核中的中子和质子发生内部磁性取向变化。

实验结果显示，只有伴随磁跃迁的衰变状态出现了低能伽马射线增强。这为“低能增强”现象的磁性起源提供了直接证据，也使实验观测与理论解释之间建立起更清晰的联系。

研究人员表示，虽然本次实验只针对一个原子核体系，但其结果有助于改进原子核结构模型，并可能影响天体物理相关模拟，包括恒星、超新星和中子星合并中的核过程研究，以及重元素形成反应的理解。相关成果也可为核取证等核安全相关研究提供参考。