原子核是由核子组成的量子多体系统，承载了宇宙中可见物质几乎100%的质量，在原子核层次上研究物质的结构和相互作用，对理解宇宙中核素的形成过程、建立核废料处置的关键技术等都至关重要。其中原子核壳层结构所对应的幻数是理解核结构的基石。近年来随着放射性核束的发展，人们发现幻数在整个核素图上并不是一成不变的，在远离稳定线的核区，传统幻数可以消失，新幻数可以产生，这一新现象对传统核结构理论提出了挑战。在远离稳定线的弱束缚原子核中壳层结构如何演化是当前核物理研究中的重大科学问题。

    研究壳演化需要选取合适的实验手段，中等能量下（100～300 MeV/u）的直接核反应结合在束伽玛谱学的方法不仅能够提供表征原子核壳结构特性的实验可观测量，即原子核的第一个2⁺态的能量，而且能够通过测量动量分布和反应截面来定性研究原子核的单粒子特性。该方法在世界各大核科学装置上被广泛采用，攻克了很多不稳定原子核结构研究中的前沿问题。

    目前A ～ 50的丰中子Ca区是核结构研究的热点区域。实验测得该区域的偶偶核的2+态的激发能、B(E2)的电磁跃迁强度以及质量测量均支持52Ca是一个双幻核，存在N = 32的亚壳结构，但是通过激光谱实验测得的Ca和K的电荷半径都在N > 28的区域出现了反常的线性增大，没有表现出N = 32中子幻数特征。52Ca究竟是不是一个好的双幻核，为什么52Ca的电荷半径会如此的大？为了探寻这一问题，刘红娜研究员及其合作者基于日本理化所的SAMURAI装置，使用高效率的碘化钠探测器阵列DALI2和MINOS装置，首次测量了52Ca(p,pn)51Ca反应的部分截面和动量分布。实验中的关键设备MINOS装置由150mm厚的液氢靶和TPC径迹探测器组成，可以很好的提高实验统计且保持在束γ谱的能量分辨率和剩余核的动量分辨率，极大的扩展了实验对极端丰中子原子核谱学的研究范围。

 

 

图1:（a）52Ca中价核子的构型；（b）通过(p,pn)反应提取的48,52,54Ca中价中子处在对应壳层以下（虚线以左）以及以上（虚线以右）单粒子轨道的填充概率。

    通过将实验测得的单中子移除截面与理论计算比较，发现52Ca基态中的价中子几乎全部占据N = 32以下的p3/2轨道【图1(a)】，表现出了和已确立的双幻核48Ca(N = 28) 和54Ca(N = 34)同样的性质【图1(b)】,提供了N = 32作为新幻数的直接证据。另外，单中子敲出反应中剩余核的动量分布和被敲走中子的单粒子波函数相关，可以提取单粒子轨道的均方根半径。动量分布的分析显示52Ca的2p3/2单中子轨道的均方根半径比1f7/2大0.61(23) fm【图2】，和理论预言的0.7fm一致。该理论可以很好的描述Ca和K同位素的电荷半径数据，认为原子核中的中子、质子的分布有趋同的趋势，增大的2p3/2中子轨道的均方根半径导致了Ca和K同位素电荷半径的线性增大，支持52Ca为双幻核。该物理图像的正确性迫切需要通过对A ～ 50区域的其他同位素链的系统研究来检验。

    此项工作近日以“Extended p3/2 Neutron Orbital and the N = 32 Shell Closure in 52Ca”为题发表在国际核物理顶级刊物Physical Review Letters上。北京师范大学核科学与技术学院的刘红娜研究员与其联合指导的德国达姆施达特工业大学的博士生M. Enciu分别作为第二和第一作者以及共同通讯作者；合作单位包括德国达姆施达特工业大学、日本理化学研究所、法国原子能和替代能源委员会等。研究工作得到中央高校基本科研业务费专项资金资助。在此研究基础上，刘红娜作为实验发起人在日本理化所提出了寻找54Ca的第二个0+态的实验，进一步研究丰中子Ca区域的壳演化机制，实验已获到批准。

 

 

图2: 实验测量的51Ca（基态：红色方块；3553keV激发态：蓝色圆圈）的平行（a）和垂直（b）动量分布。红色和蓝色线代表DWIA的理论计算结果。（c）和（d）分别展示了采用不同的Woods-Saxon单体势的径向参数r0计算得到的动量分布拟合实验测量结果所得到的χ2/NDF和分布几率。r0和单粒子轨道的均方根半径满足线性对应关系。

 

    论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.262501