轻元素和质子的新奇物性 | 前沿快讯No.5

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编者按

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

新的氦三超流相

氦三He(核子数A=3)是研究具有p波自旋三重态库珀配对的费米子体系的理想系统。作为一个本征的纯净体系，它的费米面是一个理想的球体，并且超流体的相干长度可以通过压力调节在20-80nm范围内变化。相似的自旋三重态库珀配对还可能发生在非常规超导体、一些量子气体和中子星中。在氦三体状超流体的各向同性空间中，自由能和超流体转变温度是简并的，使得各种超流体相具有相同的转变温度，但目前在零磁场条件下，只能实现能量最低的两个相（A相和B相）。理论上讲，空间的各向异性可以提高简并度，使其他相得到稳定。

本文作者卡皮察物理问题研究所（P.L. Kapitza Institute for Physical Problems of RAS）V. V. Dmitriev等使用一个振动的气凝胶谐振器，在高磁场中观察到氦三超流转变劈裂为两个不同温度下的离散转变。根据理论模型，在这两个转变之间实现了一个新的超流体相——β相。测量到了与理论预测一致的新相存在的温度范围随磁场的变化。

相关研究成果以Superfluid β phase of 3He为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 265301 (2021)上。。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.127.265301

首次观察四质子不稳定核Mg(A=18)

原子核通常只有在质子和中子的比例一定时才是稳定的。质子和中子严重失衡的原子核是不稳定的，一般会出现在核反应中，但会迅速衰变。沿着质子滴线可以存在含有奇数个质子的单质子和三质子衰变以及含有偶数个质子的双质子衰变。其中奇异的双质子衰变在20世纪60年代被戈尔丹斯基预测，并在从铍Be(A=6)到氪Kr(A=67)的许多原子核中被实验观察到。通过研究这种三体衰变中的动量相关性，我们可以获得关于原子核在其衰变之前的结构的信息。对于轻元素，在铍Be(A=6)，氧O(A=11 or 12)，氖Ne(A=15 or 16)以及镁Mg(A=19)中观测到了双质子衰变，在硼B(A=7)，氟F(A=13)以及钠Na(A=17)中观测到了三质子衰变，仅在碳C(A=8)中观测到了四质子衰变。这个奇异的四质子衰变通过两个直接的双质子衰变实现，经过铍Be(A=6)的基态。

本文作者北京大学Yu Jin和密歇根州立大学Chenyang Niu合作，通过实验首次观测到了四质子不稳定核镁Mg(A=18)。其基态衰变能量和宽度分别为4.865MeV和115keV。观察到的五个粒子之间的动量相关性与通过氖Ne(A=16)基态对应的两个连续的双质子衰变步骤相一致。不变质谱也提供了在激发能为1.84MeV的激发态的证据，可能对应于第一个激发态。

相关研究成果以First Observation of the Four-Proton Unbound Nucleus 18Mg为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 262502 (2021)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.262502

质子的泡利半径

宇宙已经有长达140亿年的历史，在这段时间里，人们还没有观察到质子的衰变。这一显著的事实使质子成为自然界中最基本的束缚态。质子是一个费米子，由于自旋统计定理，质子本质上是一个量子场理论复合物体；量子场论是统一量子力学与狭义相对论唯一已知的方法。与渐近质子状态相关的可观测庞加莱不变量是它的质量，相对不确定度为十的负十次方。质子具有正一价电荷，因此电子质子散射一直被用来探测质子的动力学特性。

本文作者南京大学崔著钫基于统计抽样，利用连续组分插值的方法分析了电子质子散射获得的质子磁性形态因子数据，以确定质子磁性半径。该方法避免了对用于数据插值的函数形式的假设，随后将其外推到以提取形式因子斜率，得到𝑟M = 0.817(27)fm。