近双幻核区域丰中子 Sc 和 Ge 同位素的奇特性质研究

Precision laser spectroscopy is a powerful tool to model-independently measure the nuclear ground state properties. This technique has been renascent world-wide with many advanced experimental setups being established and planned at radioactive-beam facilities. In order to investigate the shell evolution of neutron-rich isotopes, together with the efforts made from nuclear theory, current study by laser spectroscopy method has focused on the measurement of the basic properties of the exotic isotopes in few key regions of nuclear chart. The applicant has been working on the relevant nuclear structure study of exotic nuclei for years by using laser spectroscopy technique at several international radioactive-beam facilities. Therefore, as a continuation of earlier study, we propose to measure the nuclear spins, magnetic moments, quadrupole moments and nuclear charge radii of Sc and Ge isotopes by collinear laser spectroscopy. The study of Sc isotopes will provide important information to enrich the nuclear structure picture around the N = 28 shell closure, and will be a benchmark for testing and developing state-of-the-art nuclear models, while the study of Ge isotopes will address simultaneously a number of physics questions in the region: shape coexistence, the evolution of the N = 40 neutron subshell closure and the rare onset of inverted odd- even staggering in nuclear charge radii.

高精密激光谱学是研究原子核性质的重要手段，近年来在国际上快速发展，为不稳定核奇特性质研究作出了一系列独特贡献。目前激光谱研究主要专注于几个关键核区的基本性质测量，并结合理论工作来探究丰中子核结构演化过程。申请人持续多年在国际著名实验室负责或参与完成了多项这方面的研究，在此基础上提出本项目。旨在通过激光谱方法 1) 测量 Sc 同位素的自旋、磁矩、电四极矩和电荷半径来构建 N = 28 幻数附近的核结构图像，为此区域核理论模型的验证和发展提供数据基准; 2）测量 Ge 同位素的自旋、磁矩、电四极矩和电荷半径，来更好地理解形状共存的物理机制，解释反常的电荷半径奇偶歧离反转的诱因，以及验证 N = 40 附近的壳演化规律。

不稳定原子核的基本性质和奇特结构，是目前国际上核物理基础研究的前沿热点之一。激光核谱技术能够有效测量不稳定核多个基本性质，在不稳定核基本性质和奇特结构研究中有显著的特点和优势。此项目针对钙核区和镍核区不稳定核中的新幻数、壳演化、形状演化等奇特结构现象，提出利用激光谱方法研究这两个核区不稳定核的性质和奇特结构。本项目的主要研究内容、重要成果和科学意义包括：1）优化发展了技术，首次提出并采用贝塔衰变标记的共线共振电离谱新方法，实现了对产额更低、寿命更短的极端丰中子核52K的电荷半径测量。实验结果对N = 32 “新幻数”特性和现有理论模型形成挑战，发表在Nature Physics 和PRC等期刊上。发展的新方法可将极端丰中子核基本性质和结构的研究拓展到更远离稳定线的核素区域。2）采用激光谱技术测量了44-49Sc同位素的电磁矩，研究了Sc核素的单粒子效应和核子-核子关联效应等，并检验了壳模型和ab-initio等理论计算，成果发表在PLB期刊上。实验结果为理论模型的进一步发展提供了数据基础，也为进一步研究N = 32“新幻数”区域更丰中子Sc同位素基本性质打下基础。3）采用激光谱技术测量了62-80Zn和69-73Ge同位素的电磁基本性质。通过62-80Zn 的电荷半径和69-73Ge的电磁矩研究了N = 40亚壳附近的集体效应，以及电荷半径奇偶效应与质子跨壳激发的关联效应等。基于此结果，我们也提出进一步研究更丰中子的81-82Zn的实验，有望在壳演化和形状共存等奇特结构研究中取得突破。..本项目按计划执行, 圆满完成研究目标。有本项目标注的期刊论文30篇，会议邀请和口头报告15次，包含在三年一次的国际核物理大会（INPC2019）和全国核物理大会（2019）上做大会特邀报告。本项目的研究内容包含在项目负责人获得的“国际纯粹与应用物理联合会青年科学家奖”和“第七届中国青年女科学家奖”以及受邀撰写的PPNP领域综述文章“Laser spectroscopy for the study of exotic nuclei”之中。项目共培养和正在培养博士研究生五人。