李闊昂 葉沿林

（北京大學(xué)物理學(xué)院 核物理與核技術(shù)國家重點實驗室 北京 100871）

放射性束物理實驗發(fā)展現(xiàn)狀

李闊昂 葉沿林

（北京大學(xué)物理學(xué)院 核物理與核技術(shù)國家重點實驗室 北京 100871）

近年來隨著放射性束流裝置的發(fā)展，對非穩(wěn)定核的研究取得了一系列的重大進(jìn)展。重要的物理發(fā)現(xiàn)包括滴線區(qū)的暈核與增強(qiáng)的集團(tuán)結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定核中的殼演化與新幻數(shù)、新的有效相互作用、新的集體運動模式、核反應(yīng)中的多步過程與強(qiáng)耦合效應(yīng)等。本文著重從實驗探測的角度，對非穩(wěn)定核基態(tài)基本物理量的測量、非穩(wěn)定核的衰變測量、中低能核反應(yīng)、快速束流及零度譜學(xué)等方面做了概述和分析，特別指出他們在非穩(wěn)定核研究中作用和新發(fā)展。

非穩(wěn)定核，核結(jié)構(gòu)，核反應(yīng)，核探測

自從1985年第一個暈核11Li[1]被發(fā)現(xiàn)以來，放射性核束物理取得了長足的進(jìn)展，這大大擴(kuò)展了人們對于核物理的認(rèn)識。近年來世界各地建立了一系列放射性束流裝置：例如美國國家超導(dǎo)回旋加速器實驗室(National Superconducting Cyclotron Laboratory, NSCL)的A1200和A1900、日本理化學(xué)研究所(RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research, RIKEN)的RIPS (RIKEN Projectile fragment Separator)和BigRIPS、德國亥姆霍茲重離子研究中心(Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI)的FRS、我國蘭州重離子加速器國家實驗室(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)的中能放射性束流線(Radioactive ion beam line in Lanzhou, RIBLL)和北京串列加速器上的GIRAFFE等。利用這些束流裝置，如今對于核物理的研究已經(jīng)擴(kuò)展到了比較遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線和比較重的原子核。在這一區(qū)域已經(jīng)觀測到了一系列奇特的物理現(xiàn)象，促進(jìn)了理論和實驗技術(shù)的發(fā)展。

由于非穩(wěn)定原子核弱束縛的特性， 一些新的結(jié)構(gòu)自由度在此區(qū)域顯現(xiàn)出來，例如暈結(jié)構(gòu)以及集團(tuán)結(jié)構(gòu)。目前11Li、6He、11Be、14Be和19C已被實驗認(rèn)定為中子暈核，在豐質(zhì)子區(qū)域8B基本被認(rèn)定為質(zhì)子暈核。近期的實驗觀測又發(fā)現(xiàn)了一些原子核可能為中子暈核：如24O[2]、22C[3]和31Ne[4]等。在集團(tuán)結(jié)構(gòu)方面，對于穩(wěn)定核激發(fā)態(tài)的集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究有著很長的歷史，如12C的3α-Hoyle態(tài)[5]，它在核天體物理中原子核的合成過程中起著重要的作用。對輕核和中重核區(qū)的理論計算表明，隨著中子數(shù)的增加，在非穩(wěn)定核中集團(tuán)（或分子態(tài)）結(jié)構(gòu)有增強(qiáng)的趨勢，這主要是由于價核子相對于核芯集團(tuán)的多樣性軌道組合造成的。對12Be的實驗觀測對此提供佐證[6]。

在非穩(wěn)定核區(qū)的殼演化也是放射性束物理中發(fā)現(xiàn)的一個重要的新現(xiàn)象。在豐中子核區(qū)，一些傳統(tǒng)的幻數(shù)(如N=8、20、28)消失并伴隨著新的幻數(shù)(如N=16、32)的產(chǎn)生。對殼演化的理論解釋，有形變效應(yīng)、張量力、三體力的作用等。研究表明，在引入新的核子間有效相互力作用后，殼模型中單粒子能級會隨著中子數(shù)的增加發(fā)生變化，從而使得殼間距發(fā)生改變，幻數(shù)的位置也就發(fā)生了變化[7]。例如在傳統(tǒng)中子幻數(shù)N=20的豐中子核區(qū)出現(xiàn)由一系列原子核組成的“反轉(zhuǎn)島”[8]。

在非穩(wěn)定區(qū)，新的集體激發(fā)模式也被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。典型的如原子核的軟（矮）巨共振[9]，也就是暈核的價中子相對于核芯的振動。自1988年發(fā)現(xiàn)以來，它一直是識別暈核的一個重要的觀測量。同時，軟巨共振也在同位旋相關(guān)的核狀態(tài)方程研究中發(fā)揮重要作用。

描述原子核基態(tài)基本性質(zhì)的物理量質(zhì)量、自旋、電荷、磁矩等，一方面體現(xiàn)了原子核對外的表現(xiàn)形態(tài)，另一方面也體現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。相關(guān)的測量在穩(wěn)定核區(qū)已經(jīng)非常廣泛，但將其擴(kuò)展到非穩(wěn)定核區(qū)有一些特殊的困難。近年來一些新的實驗技術(shù)和方法的引入，使得對短壽命原子核基本物理量的測量取得長足進(jìn)步，并且還在繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

對原子核的衰變以及反應(yīng)的測量是揭示原子核結(jié)構(gòu)和相互作用性質(zhì)的必要手段。在非穩(wěn)定核區(qū)，由于核子的分離能較低（相對附近原子核的衰變能較高），一些奇異的衰變模式可以在實驗中被觀測到。如：β延遲粒子發(fā)射[10]、雙質(zhì)子衰變[11]、同核異能態(tài)[12]等。在核反應(yīng)方面，諸如非彈性散射、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、敲除反應(yīng)等也被大量地應(yīng)用于放射性束物理的研究。由于非穩(wěn)定原子核弱束縛的特性，核反應(yīng)過程往往混雜了多步過程以及與連續(xù)態(tài)（破裂過程）的耦合，這使得實驗觀測量并不直接反映核結(jié)構(gòu)信息，而是與反應(yīng)機(jī)制交織在一起。這就要求在原子核反應(yīng)理論方面進(jìn)行更加深入的研究，反應(yīng)和結(jié)構(gòu)研究密切結(jié)合，從而能夠從實驗中有效提取核結(jié)構(gòu)的信息。

放射性束的分離裝置目前已發(fā)展到第三代，以采用大接受度的超導(dǎo)磁鐵為特征，目前典型的代表是日本理化所的BigRIPS。在束流裝置建設(shè)推進(jìn)的同時，一些新的實驗方法和實驗技術(shù)也被應(yīng)用于放射性物理的研究，使得核反應(yīng)的探測效率提高了3-5個數(shù)量級，彌補(bǔ)了束流強(qiáng)度的不足，比如目前已經(jīng)可以在每秒幾十個粒子入射的條件下開展譜學(xué)研究。典型的如：一些新的裝置使得對短壽命核基本性質(zhì)的測量成為可能；零度磁譜儀可以測量小角度事件并從中獲得重要的譜學(xué)信息；覆蓋大立體角的γ探測陣列和硅微條探測器陣列等。近年來新發(fā)展的結(jié)合反應(yīng)靶與探測器于一體的“傳感器靶”，使得在低能核反應(yīng)中可進(jìn)行有效的粒子識別和精確測量，這對核天體和核集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究很重要。

本文從實驗觀測和實驗方法的角度，概括放射性核束物理的發(fā)展，并對一些研究的熱點進(jìn)行分析以及展望。

1 非穩(wěn)定核基態(tài)基本物理量的測量

在發(fā)現(xiàn)新的核素時，大部分的實驗都是針對穩(wěn)定原子核，此類的測量用于短壽命的放射性核，在實驗上是很大的挑戰(zhàn)。

原子核質(zhì)量直接反映了原子核內(nèi)核子的結(jié)合能，而相鄰原子核的相互質(zhì)量關(guān)系則反映了最后一個或多個核子的分離能。例如N=20這一傳統(tǒng)幻數(shù)在豐中子區(qū)域的消失最早就是由對31Na的質(zhì)量測量啟發(fā)的[13]。如今高精度的質(zhì)量測量可以作為一些質(zhì)量方程的驗證，如同位旋多重態(tài)質(zhì)量方程(Isobaric multiple mass equation, IMME)，它揭示了在質(zhì)子與中子在核子-核子相互作用中的差異[14]。此外，高精度的質(zhì)量數(shù)據(jù)對核天體物理中核合成路徑的計算也至關(guān)重要。近些年來利用潘寧阱(Penning trap)裝置得到了一系列高精度的質(zhì)量數(shù)據(jù)[15-16]，大部分測量主要集中在輕核區(qū)。目前在中重核區(qū)，特別是遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核質(zhì)量的高精度測量可以利用重離子冷卻儲存環(huán)實現(xiàn)[17]。在中國科學(xué)院近代物理研究所的冷儲存環(huán)上，得到了從41Ti到53Ni 一系列同位旋多重態(tài)的質(zhì)量數(shù)據(jù)[18]，從中發(fā)現(xiàn)在fp殼原子核上，IMME公式出現(xiàn)了偏差，需要新的理論和實驗工作來解釋這一反?，F(xiàn)象。

對原子核自旋和磁矩的測量直接地反映了原子核的殼結(jié)構(gòu)，這為研究非穩(wěn)定核區(qū)的殼演化提供了重要的依據(jù)。此類的測量一般是利用原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)或核磁共振的塞曼分裂。對于穩(wěn)定原子核此類技術(shù)已經(jīng)很成熟。但對于非穩(wěn)定核，由于其短壽命的特性，實驗上還有很多難點。目前一些針對非穩(wěn)定核自旋和磁矩測量的技術(shù)正逐步地走向?qū)嵱?，例如共線激光譜學(xué)(Collinear laser spectroscopy)[19]、共振離子譜學(xué)(Resonance ionization spectroscopy)[20]、β衰變核磁共振(NMR with β-asymmetry detection)[21]以及基于離子阱的射頻-光學(xué)雙共振方法(RF-optical double resonance in an ion trap)[22]等。它們當(dāng)中一些技術(shù)仍在研發(fā)測試之中，但我們可預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來可以從中獲得一系列豐碩的成果。

2 非穩(wěn)定核的衰變測量

β衰變是非穩(wěn)定核衰變中最常見的一種模式，是將衰變核阻停在探測介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行衰變測量，觀測量包括比較半衰期(ft)、衰變能等，可從中提供母核以及子核結(jié)構(gòu)等信息。β衰變也是布居子核激發(fā)態(tài)的有效手段。測量與β級聯(lián)的γ光子，可以提供子核激發(fā)態(tài)的信息。在遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線區(qū)域，由于原子核弱束縛的特性導(dǎo)致核子費米面升高，這使得衰變后的子核也可能處于很高的激發(fā)能，甚至高于粒子發(fā)射閾，從而可以觀測到β緩發(fā)核子，如豐中子區(qū)的β緩發(fā)中子以及豐質(zhì)子區(qū)的β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射。再豐質(zhì)子區(qū)，配合高效率的帶電粒子探測器，β衰變及其緩發(fā)粒子測量可以在很低束流強(qiáng)度下得到非穩(wěn)定核基態(tài)和激發(fā)態(tài)的多種信息。但對于豐中子區(qū)域，由于中子探測在技術(shù)上的困難，使得高效率的測量β緩發(fā)中子成為一種很大的挑戰(zhàn)。近年來隨著一些大立體角覆蓋，高探測效率的中子探測陣列的發(fā)展，已經(jīng)獲得了一系列β緩發(fā)中子的實驗數(shù)據(jù)。例如對氮同位素鏈等的β緩發(fā)中子的測量[10,23-27]，從中可以得出很多豐中子區(qū)原子核結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)學(xué)數(shù)據(jù)。

除了傳統(tǒng)的β衰變，在靠近滴線時，由于核子束縛的減弱，一些新的核子自由度開始出現(xiàn)，此時還可以觀測到一些奇異的粒子衰變模式。對滴線附近的原子核，可以處于共振態(tài)（或正能態(tài)）。在豐中子區(qū)，這種共振態(tài)可以通過直接發(fā)射中子或核子集團(tuán)發(fā)生衰變。在豐質(zhì)子區(qū)，由于庫侖力的存在，價核子（質(zhì)子）需要穿透庫侖位壘才能發(fā)射出來。目前對一些處于滴線的原子核已經(jīng)觀測到了基態(tài)的雙質(zhì)子發(fā)射的事件，如19Mg[28]、45Fe[29]、48Ni[30]和54Zn[31]。由于質(zhì)子的配對效應(yīng)，在偶電荷數(shù)原子核中雙質(zhì)子發(fā)射比單質(zhì)子發(fā)射更容易發(fā)生。對于束縛的原子核，雙質(zhì)子發(fā)射也可以在它們的激發(fā)態(tài)中觀測到，如29S[32]、23Al以及22Mg[33]等。對這類實驗數(shù)據(jù)的分析可以得到在原子核中雙質(zhì)子之間的相互關(guān)聯(lián)。在豐中子區(qū)域同樣存在著雙中子發(fā)射，但由于目前在實驗上還比較難實現(xiàn)高效率的多中子探測，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)還很缺乏。

同核異能態(tài)(Isomer)是指長壽命的激發(fā)態(tài)。在通常原子核中激發(fā)態(tài)的衰變主要為電磁躍遷（發(fā)射γ光子），其壽命非常短(＜ps)。而同核異能態(tài)的壽命可以高達(dá)若干年。傳統(tǒng)的理論解釋是同素異能態(tài)初態(tài)和末態(tài)的躍遷矩陣元很小，原因在于角動量差異較大并且伴隨著較低的躍遷能量[34]。但這并不能很好的解釋過渡核區(qū)的一些實驗現(xiàn)象，諸如180Hf中5.5 h長壽命同核異能態(tài)[35]。對于大形變的原子核，在相關(guān)的理論分析中，引入了一個新的量子數(shù)K，它代表了原子核總角動量在原子核形變對稱軸上的投影。此類長壽命激發(fā)態(tài)具有較高的K， 被稱為高K態(tài)。

此外還有另一類特殊的0+→0+躍遷，這種情況對于γ躍遷來說是禁戒的，但可以通過正負(fù)電子對發(fā)射或者內(nèi)轉(zhuǎn)換過程完成。目前在12Be[36]、32Mg[37]中已經(jīng)觀測到這一類束縛的0+激發(fā)態(tài)。這類在基態(tài)以上的第二0+態(tài)表明其與基態(tài)的原子核結(jié)構(gòu)存在著較大的差異。形狀共存(Shape co-existence)或集團(tuán)結(jié)構(gòu)可以較好地解釋這一實驗現(xiàn)象。

3 中低能核反應(yīng)

在中低束流能量下（費米能區(qū)和庫侖位壘能區(qū)），核反應(yīng)過程中核子間的關(guān)聯(lián)與在高束流能量情況下相比有明顯的增強(qiáng)，這意味著低束流能量下的核反應(yīng)可以更容易地將原子核激發(fā)到一些特定狀態(tài)，從而有利于關(guān)聯(lián)性質(zhì)的研究。此外，在核天體物理研究中也往往傾向于低能核反應(yīng)，這是因為在天體中原子核合成過程所發(fā)生的環(huán)境能量很低，低能的實驗測量更有利于其數(shù)據(jù)向天體條件靠近。

轉(zhuǎn)移反應(yīng)是抽取譜因子（單粒子態(tài)占有概率）的一種有效方法，為提高反應(yīng)截面，通常選擇在費米運動能區(qū)（每核子10-30 MeV）。相對于破裂或敲出反應(yīng)，轉(zhuǎn)移反應(yīng)的截面比較低。但由于其初態(tài)和末態(tài)都是兩體，理論描寫相對比較成熟，且只涉及原子核表面的核子，因此從中獲得的譜因子信息相對比較可靠[38]，與敲出反應(yīng)形成很好的互補(bǔ)[39]。

由于核子間關(guān)聯(lián)的增強(qiáng)，較低束流能量也容易將原子核激發(fā)到集團(tuán)分離閾附近。按照著名的Ikeda機(jī)制[40]，在集團(tuán)分離閾附近通常會形成相對穩(wěn)定的集團(tuán)結(jié)構(gòu)，改變了原子核通常的單粒子圖像和自由度。近些年來集團(tuán)結(jié)構(gòu)在理論和實驗研究上都取得了長足的進(jìn)展。由于α較高的結(jié)合能，α集團(tuán)成為了最常觀測到的集團(tuán)結(jié)構(gòu)。α結(jié)構(gòu)廣泛存在于N=Z的原子核的激發(fā)態(tài)中，它們在核天體物理中涉及氦燃燒的過程中起著重要的作用。以反對稱分子動力學(xué)(Antisym-metrized molecular dynamics, AMD)為代表的若干理論模型，預(yù)言了滴線區(qū)豐中子原子核中存在豐富的集團(tuán)或分子態(tài)結(jié)構(gòu)[41]。這主要是由于弱束縛核的非線性膨脹與豐富的價核子一核芯組合形式導(dǎo)致的。一個典型的例子是，在Be同位素鏈推向豐中子區(qū)的過程中，8Be（雙α）核心與外圍多出的價中子可以使其組成雙中心的分子態(tài)結(jié)構(gòu)。這一假說由最近的12Be實驗[6]所證實。在該測量中，12Be的4He+8He的轉(zhuǎn)動帶被清晰地重建，觀測到了基態(tài)到4He+8He重建的0+激發(fā)態(tài)的高強(qiáng)度躍遷。最近的研究表明，這種反常增強(qiáng)的單級躍遷是集團(tuán)結(jié)構(gòu)形成的一個重要表征。

低能區(qū)的融合反應(yīng)對超重合成和核天體過程有重要意義。豐中子核融合反應(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)是一個一直有爭議的話題，仍有許多重要的工作待開展[42]。

在實驗測量上，較低的束流能量意味著粒子在靶中的能損會偏大，這導(dǎo)致了在低能實驗中一般要選擇很薄的反應(yīng)靶以保證反應(yīng)產(chǎn)物可以穿出，但薄靶制作相對比較困難，且反應(yīng)效率偏低。最近傳感器靶(Active target)的提出，為這一問題的解決提供了新思路。它的基本原理就是利用探測器本身作為反應(yīng)靶（通常為氣體介質(zhì)），既可以提高有效靶厚以提高探測效率，也可以提供高分辨率的反應(yīng)前后粒子徑跡。一個比較成功的例子是時間投影室(Time projection chamber, TPC)[43]，其氣體室結(jié)構(gòu)先進(jìn)的信號讀出模式可以提供高質(zhì)量的粒子三維徑跡的重建。目前的一些實驗結(jié)果已經(jīng)顯示其具有廣泛的應(yīng)用前景[44]。

4 快速束流(Fast beam)及零度譜學(xué)

用彈核破碎(PF-projectile fragmentation)方法產(chǎn)生放射性核，為了提高產(chǎn)額，束流能量通常比較高（每核子幾十到幾百MeV）。直接利用PF次級束做逆反應(yīng)運動學(xué)實驗，就形成了快速束流和零度譜學(xué)的一整套新方法。

在零度附近做總反應(yīng)截面（或相互作用截面）測量在放射性束物理實驗中有著很長的歷史，第一個暈核11Li的發(fā)現(xiàn)就是起源于實驗上發(fā)現(xiàn)其相互作用截面反常增大[1]。這個現(xiàn)象被解釋為在核芯之外存在著遠(yuǎn)離核芯的價核子，需要單獨描寫，這也就是暈的概念。由于在高能量下核子間關(guān)聯(lián)降低，反應(yīng)時間減少，故而在高束流能量下測量相互作用截面更能有效地說明原子核的大小。如今相互作用截面（或較低能量下的總反應(yīng)截面）測量依然廣泛地應(yīng)用于尋找暈核的實驗中。近期一些新的暈核備選者，如22C[3]、31Ne[4]，即來源于最初對它們總截面的測量。

零度譜學(xué)的重大發(fā)展，來自于對敲出反應(yīng)剩余“旁觀者”原子核縱向動量分布的測量。傳統(tǒng)方法確定敲出核子或轉(zhuǎn)移核子的角動量，要依靠大范圍的角分布（微分截面）的測量。由于通常角度越大截面越小，因此對于束流強(qiáng)度比較弱的非穩(wěn)定核而言，傳統(tǒng)的大角度測量實際行不通。從暈核的研究開始，人們意識到可以通過在零度附近測量敲出反應(yīng)的“旁觀者”的動量分布，按照守恒關(guān)系，來推出被敲出核子（“參與者”）的動量分布和角動量。逆運動學(xué)條件下的這種零度“旁觀者”測量，相當(dāng)于質(zhì)心系全立體角測量，截面大得多，效率也就高得多。一開始人們測橫向動量分布，但容易受散射過程的干擾。1992年，在MSU實現(xiàn)了利用消色差磁譜儀排除束流能散的干擾，從而準(zhǔn)確測定“旁觀者”剩余核縱向動量分布的方法[45]。如果與在束γ射線符合測量，則可以用于分析指定能態(tài)的角動量。如果進(jìn)一步測出這個態(tài)的絕對截面，則可以通過與理論計算對比得出核子占據(jù)該量子態(tài)的譜因子。這套零度譜學(xué)方法（在束γ+縱向動量分布+截面）在幾個大實驗室均得到發(fā)展和應(yīng)用，成為非穩(wěn)定核譜學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)方法[46]。傳統(tǒng)的角分布測量，要求束流強(qiáng)度達(dá)到108s-1左右，才能進(jìn)行有效的譜學(xué)測量。零度譜學(xué)的實現(xiàn)，使得譜學(xué)研究在102s-1左右就可以開展，相當(dāng)于提高了5-6個量級（同期重離子加速器束流強(qiáng)度提高了3-4個量級），這的確是效益很高的革命性的進(jìn)步，對放射性核束物理研究保持旺盛的生命力起到了至關(guān)重要的作用。

對原子核激發(fā)態(tài)能量以及躍遷強(qiáng)度的測量，可以給出原子核結(jié)構(gòu)的信息，比如第一個2+激發(fā)態(tài)的能量E2+和約化概率B(E2)常用于表征幻數(shù)的出現(xiàn)或消失，而E4+/E2+比值用于表征原子核的集體運動模式等。由于具有較高的能量分辨率，在束γ技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在此類測量中。利用大規(guī)模的探測器陣列的γ-γ符合測量，還可以清晰地獲得原子核多個激發(fā)態(tài)之間的級聯(lián)關(guān)系。高束流能量可以有效地提高γ產(chǎn)額，但同時也帶來了較多的本底，并且也對γ能譜的多普勒修正提出了更高的要求。近年來隨著一系列γ探測器陣列的建設(shè)，如基于半導(dǎo)體探測器的GAMMASPHERE[47]和GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array)[48]、基于閃爍體探測器的DALI2 (Detector Array for Low Intensity radiation 2)[49]都獲得了豐富的在束γ譜學(xué)的實驗數(shù)據(jù)。其中有代表性的成果就是豐中子核區(qū)的殼演化。殼模型中幻數(shù)是一個重要的概念，在幻數(shù)之上單粒子能級的擴(kuò)大，因而原子核的性質(zhì)比較穩(wěn)定。實驗觀測表明，在豐中子核區(qū)，N=20的幻數(shù)核出現(xiàn)了反常的現(xiàn)象[50-52]，諸如較低的第一2+態(tài)能量以及較大的B(E2)值，同時對4+態(tài)的能量測量也揭示了這一區(qū)域原子核有著較強(qiáng)的集體運動模式。這些實驗數(shù)據(jù)均表明，在這一區(qū)域N=20這一傳統(tǒng)幻數(shù)已經(jīng)消失。理論分析指出，大形變以及新的有效相互作用（張量力、三體力等）的引入，使得單粒子能級隨著中子/質(zhì)子數(shù)之比的增長而改變。在有些原子核基態(tài)中，粒子-空穴闖入態(tài)起主導(dǎo)作用[8]，稱之為能級反轉(zhuǎn)，故而這些區(qū)域被稱為“反轉(zhuǎn)島”(Island of inversion)。目前實驗觀測發(fā)現(xiàn)在豐中子區(qū)N=40這一亞殼也存在類似的現(xiàn)象[53]。

由于很低的結(jié)合能，非穩(wěn)定輕核的敲出反應(yīng)，也可用于直接產(chǎn)生粒子不穩(wěn)定的共振態(tài)，它隨后衰變成若干碎片和粒子。精確鑒別這些末態(tài)粒子并測量它們的能量動量，可用于重建共振態(tài)的不變質(zhì)量。重建對入射束流的能散不敏感，因此在非穩(wěn)定核研究中有特殊的優(yōu)越性。非穩(wěn)定核的共振態(tài)往往與價核子的特殊關(guān)聯(lián)以及與連續(xù)態(tài)的耦合密切相關(guān)，具有豐富物理內(nèi)涵。這方面的研究一直很活躍[54-55]。

零度譜學(xué)的測量集中在比較小的角度，然而小角度散射粒子中也包含了大量的未反應(yīng)束流，構(gòu)成大比例的本底。在計數(shù)率很高的情況下，需要采用各種有效方法減少本底干擾，這是零度譜學(xué)的一個很有挑戰(zhàn)性的問題。另外，通過敲出反應(yīng)提取結(jié)構(gòu)信息的前提是敲出過程很“干凈”，“旁觀者”剩余核確實保留了原來在母核中的結(jié)構(gòu)信息。對于敲出表面核子的情形，這種對反應(yīng)機(jī)制的要求比較容易滿足，但對于敲出深束縛的核子，就會有干擾過程的作用，可能造成提取的譜因子大大減小，比較難于處理。這是目前正在研究的一個重要問題[56]。

5 重離子碰撞中的同位旋效應(yīng)

重離子碰撞過程中的同位旋相關(guān)效應(yīng)[57]近年來引起了人們的關(guān)注，它所涉及的核反應(yīng)機(jī)制、核物態(tài)方程等有著重要的意義，在超新星、中子星（高溫高密核物質(zhì)）的演化方面起著重要的作用[58]。

重離子碰撞中同位旋標(biāo)度(Isoscaling)[59]方法是研究核物質(zhì)狀態(tài)方程中同位旋相關(guān)的對稱能項的有效手段之一。通過不同同位旋入射道在相同反應(yīng)條件下最終產(chǎn)物產(chǎn)額的差異，可以提取同位旋相關(guān)的信息。同位旋標(biāo)度在理論上和實驗上都有著廣泛的研究[60-63]。目前在實驗工作還較多集中在穩(wěn)定線附近，但遠(yuǎn)離穩(wěn)定線核的碰撞實驗也正在展開[58]。

6 結(jié)語

近30年以來，放射性束物理取得了長足的進(jìn)展。不斷有新的裝置建成，新的物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。實驗技術(shù)和理論模型也得到快速發(fā)展。這些研究大大擴(kuò)展了我們對于非穩(wěn)定區(qū)原子核的認(rèn)識，對于核天體物理等交叉學(xué)科也有著重要的推動作用。

理論預(yù)言束縛的原子核大概有8000-10000個，而實驗只觀測到大約3000個，在中重核區(qū)目前實驗可以到達(dá)的范圍離滴線還很遠(yuǎn)。對于理論上預(yù)言的一些關(guān)鍵原子核，如雙幻數(shù)核78Ni、60Ca等，現(xiàn)有的實驗裝置能夠提供的束流強(qiáng)度非常小。目前一些新的束流線裝置正在建設(shè)中，如美國的FRIB、德國的FAIR-SuperFRS、中國的HIAF等。我們可以期望這些新的裝置可以提供更多遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的束流，從而將放射性束核物理研究推向新的階段。

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CLCTL99

Recent development in experimental RIB physics

LI Kuoang YE Yanlin
(School of Physics and State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871, China)

Background: In recent years, along with the development of the radioactive ion beam facilities, much progress has been achieved in studies of unstable nuclei. Main discoveries include exotic halo and cluster structures around the drip lines; shell evolution and new magic numbers in unstable nuclei; new effective interactions such as tensor force, three-body forces, new spin-orbit force; new modes of collective motion such as soft giant dipole resonance; multi-step process and strong couplings in nuclear reaction with unstable nuclei. Purpose: This review is focused mainly on the outline of the experimental methods which has been intensively applied to investigate the new aspects of unstable nuclei. Methods: Recently many new techniques have been used to the measurement of the basic properties of the ground state of unstable nuclei. Decay measurement, nuclear reaction at low and intermediate energies, fast beam and zero-degree spectroscopy are also widely used. The special development of these methods related to the study of unstable nuclei has been emphasized. Results and Conclusion: Plenty new phenomena of unstable nuclei were observed, which greatly expanded our studies on nuclear physics. With the development of facilities and experimental techniques, we may expect new experimental data coming soon, which would refine our knowledge of the nuclear physics.

Unstable nuclei, Nuclear structure, Nuclear reaction, Nuclear detection

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100501

973計劃(No.2013CB834402)、國家自然科學(xué)基金(No.11035001、No.11275011、No.J1103206)資助

李闊昂，男，1983年出生，2012年于北京大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域為放射性束物理實驗

葉沿林，E-mail: yeyl@pku.edu.cn

2014-05-04，

2014-08-10