【48812】上海交通大学孙扬课题组预言一种新式原子核团体运动形式

时间: 2024-07-14 20:59:01 |   作者: 爱游戏app下载安装

  强相关量子多体问题是近代物理最活泼的研讨方向之一，对称性、对称性破缺以及相变是研讨的中心。强相关下的多粒子体系常常浮现出不同的别致物态，展示一种被物理学大师菲利普·安德森（Philip W. Anderson）称之为“众则异（More is different）”的现象。这项PRL协作研讨报道了一种新式量子多体运动形式，他们关于形变原子核156Gd的核算发现，依据原子核剪刀振荡的滚动能带在相邻角动量态之间出现能量劈裂，标明做剪刀式振荡的原子核在滚动时，描绘滚动的物理量 – 滚动惯量 – 总是在具有偶数和奇数角动量的量子态之间产生振荡改变。作者将这一彻底出人意料的现象称之为“ΔI=2分叉（ΔI=2 bifurcation）”。核算还显现了这一现象的“鲁棒性（robustness）”，即这种成果在形变原子核中反常安稳地存在，与核子轨迹的占有以及核子之间等效相互作用等物理细节无关。

  原子核是由小到几个、大到二百多个质子和中子组成的微观体系。作为一类强相关微观多体体系，原子核无论是在低能激起区（一般1-3个MeV）仍是高能区（高至十几个MeV）都出现不同的团体激起形式。1975年诺贝尔物理学奖颁发给了小玻尔（Aage Bohr，量子力学首要创始人Niels Bohr的儿子）、莫特森（Ben Mottelson）和雷恩沃特（James Rainwater），以赞誉原子核团体运动的发现。那时人们认为，原子核在低能激起区的首要团体激起形式有两类：原子核的滚动（rotation）和振荡（vibration），其间沿形变对称轴方向的振荡一般叫β-振荡，而与形变对称轴笔直方向的振荡叫γ-振荡。

  在核物理中，同位旋将质子和中子描绘成一个粒子（核子）的两个态。1978年，有两位意大利人预言了原子核低激起的第三类团体运动形式，这是一种同位旋矢量运动形式。作者构建了一个半经典的双转子模型，在模型中假定质子和中子构成两个相互作用的转子，分别用一把剪刀的两页刀片来表明（见图 1），他们把这一运动形式形象地称为剪刀形式（scissors mode），或叫剪刀振荡（scissors vibration）。他们预言形变原子核产生这种运动时会产生磁偶极M1辐射，特征是比较强的由1+（表明角动量为1，宇称为正）剪刀激起态到原子核基态（0+）的M1跃迁。几年后的1984年，德国物理学家初次在稀土核156Gd 中经过试验调查到了这种辐射。随后人们对稀土区及附近核区的很多形变的和近球形的原子核中进行了体系的试验，无一例外地看到了这种特征M1跃迁。



  图1：原子核中的剪刀振荡形式图示，质子 (p) 和中子 (n) 转子环绕它们的平分线滚动。

  但是，自1984年初次验证剪刀振荡1+态以来，人们从未在试验上观测到完好的剪刀振荡-滚动带（即1+剪刀振荡态以上的2+、3+…等能级）。核物理一起认为，和一切原子核的典型滚动能带相同，依据剪刀振荡1+态的滚动带天然遵从E~I(I+1)这种能量-角动量联系。最近，孙扬教授课题组和兰州大学陈芳祁等人运用一种原子核微观多体办法 – 投影壳模型 – 对这样的一个问题做了具体的研讨，得到了彻底出人意料的成果：关于具有安稳形变的稀土原子核156Gd，他们看到的1+剪刀振荡带的滚动行为与一般的团体滚动带彻底不同，特点是其滚动能带总在相邻偶数和奇数角动量态之间产生能量劈裂。这标明做剪刀式振荡的原子核在滚动时，相应的滚动能带不或许是滑润的，而总是呈锯齿型振荡（如图1(a)所示）。他们发现，原子核处于偶数角动量时的滚动惯量比奇数角动量的滚动惯量大 10% 左右。这说明在滚动过程中，跟着总角动量 I的添加，滚动惯量J的值不是常数，而在奇、偶角动量状况之间来回跳动。关于一个角动量守恒的滚动体系，条件 I =Jω要求滚动角速度ω也随J的改变而跳动改变，意味着体系处于偶数（奇数）角动量状况下的滚动比一般滚动要慢（快）。或许可以了解成，关于奇、偶数的不同角动量，体系的滚动轴有必要周期性地改变方向，以确保角动量守恒。这标明在剪刀运动中，一个孤立的、做剪刀振荡的多体体系有很不寻常的滚动图画，它破坏了核结构中一切已知的与团体运动相关的内禀对称性。



  图2：156Gd剪刀滚动带的振荡特性。(a) 滚动带能级差 ΔE = E(I) - E(I-1)。图中左下方的小五星为仅有的试验点；(b)：滚动带内磁偶极跃迁几率B(M1; I - I-1) 挨近零（尽管也有小幅度奇偶振荡）

  经过体系核算后，他们都认为发现原子核1+剪刀滚动带的一个遍及特征。依据核算成果不依赖于体系的动力学细节这些现象来看，作者猜想这一新式原子核团体运动形式有或许源自某种几许效应，值得进一步深入研讨。作者还揣度，相似的效应也或许会出现在其他具有团体剪刀振荡-滚动的量子体系中。要从试验上证明这个预言，则需求观测剪刀滚动带2+态以上的诸条能级，这对试验来说或许是个很大的应战。德国科学家首要是经过光子或轻的带电粒子（电子或质子）来激起剪刀振荡态，而我国一直没相似的γ光源设备。上海光源二期行将投入到正常的运用中的上海激光电子伽马源（Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS） 是一个极具世界竞争力的、有期望验证这个预言的设备。

  孙扬教授课题组感谢国家天然科学基金委联合基金重点项目的赞助。上海交通大学物理与地理学院粒子与核物理研讨所博士生吕翠娟为论文榜首作者，原课题组博士生、现兰州大学核科学与技术学院副教授陈芳祁为通讯作者，孙扬教授与美国田纳西大学物理与地理系Mike Guidry教授为一起作者。