一塊鋅，發了一篇Nature！

一塊鋅-70，解開了困擾核物理界20年的磁性質謎題

原子核從激發態向低能態躍遷時通常會發射光子，光子發射的概率作為光子能量的函數，被稱為光子強度函數（γSF）。自20世紀中葉以來，科學家對這一函數進行了持續研究，發現其具有寬泛的巨共振結構，峰值約在12至20 MeV處。在過去四十年中，研究人員在γSF中發現了其他較小的共振結構，如在形變核中于1至4 MeV能區首次觀測到的“剪刀模式”共振，以及5至10 MeV范圍內的“矮偶極共振”。然而，其中最令人困惑的特征是低能增強（LEE）現象——它在γSF的低能部分（光子能量低于3 MeV）表現為額外增強。該現象自首次在鐵-56/57和鉬-95中被發現以來，已在許多靠近穩定線的輕質量和中等質量核、部分放射性核以及一些較高質量核中被觀測到。低能增強對核反應率預測具有顯著影響，因為它會提高輻射中子俘獲反應截面，從而影響對恒星核合成過程的理解。然而，經過二十多年的研究，科學界仍未明確低能增強的電磁本性究竟是什么，也未能確定其幅度和形狀如何依賴于核結構效應。

近日，美國密歇根州立大學稀有同位素束流裝置（FRIB）E. K. Ronning研究員團隊首次通過實驗明確了原子核低能增強的磁性質，利用一種結合β衰變、γ射線能譜技術和分析方法的實驗方案，研究了鋅-70的γ射線強度函數，并成功揭示了該低能增強現象的磁偶極（M1）特性。這一發現解答了困擾核物理界數十年的關鍵問題，并對天體核合成模型的預測能力產生深遠影響。相關論文以“Magnetic character of the low-energy enhancement in 70Zn”為題，發表在Nature上。

研究團隊通過β衰變核銅-70的兩個不同量子態——基態（6?）和第二同核異能態（1?）——分別布居鋅-70的激發態，從而提取出兩組可比較的γSF數據。銅-70基態的β衰變主要布居鋅-70中自旋為5?、6?和7?的負宇稱態，而銅-70第二同核異能態的β衰變則主要布居自旋為0?、1?和2?的正宇稱態。由于β衰變是高度選擇性的過程，母核的自旋決定了子核中被布居的能態范圍，因此兩組實驗數據為區分不同電磁躍遷類型提供了獨特窗口。圖1展示了從這兩組β衰變中提取的鋅-70γSF，其中藍色數據點對應銅-70基態衰變，橙色數據點對應銅-70同核異能態衰變。在低能區（光子能量低于3 MeV），兩條強度函數表現出顯著差異——來自1?母核衰變的γSF明顯受到抑制。研究團隊將此歸因于鋅-70低能區域宇稱態分布的不對稱性：在低于3 MeV的激發能區域，鋅-70幾乎只存在正宇稱態，而從1?母核衰變布居的正宇稱高激發態向低能正宇稱終態躍遷時，電偶極（E1）躍遷被極大抑制，而磁偶極躍遷則不受影響。

圖1 | 從銅-70同核異能態（m2）和銅-70基態（gs）的β衰變中提取的鋅-70的γ射線強度函數（γSF）。從銅-70基態β衰變獲得的數據在幅度上進行了歸一化，并外推至Goryachev等人通過鋅-70(γ,n)鋅-69和鋅-68(γ,n)鋅-67測量獲得的巨偶極共振數據，如藍色波段所示。從銅-70同核異能態β衰變獲得的數據的絕對歸一化是相對于藍色波段的。

為了定量驗證這一解釋，研究團隊首先利用包含E1、M1以及M1型低能增強分量的理論模型，擬合了從銅-70基態（6?）衰變提取的γSF數據。該模型基于Gogny+Hartree-Fock-Bogoliubov加QRPA理論計算（由Goriely等人開發）描述E1分量形狀，用廣義洛倫茲函數描述M1分量，并加入一個指數函數來模擬M1低能增強。三個分量疊加后得到的總γSF與實驗數據吻合良好（圖3中黑色實線）。隨后，研究團隊利用鋅-70中宇稱態分布的比例（圖2c），計算了每個γ射線能量對應的E1強度抑制因子。對于從銅-70同核異能態（1?）衰變提取的γSF，當激發能高于3.5 MeV時，由于缺乏可到達的負宇稱終態，E1抑制因子降至零。將這一抑制因子應用于理論模型后，得到的E1分量被顯著壓低（圖3中藍色虛線），而M1和M1型低能增強分量保持不變，最終的理論曲線與從1?母核衰變提取的實驗數據完全一致。圖2a和2b分別示意性地展示了從銅-70基態和同核異能態衰變布居的鋅-70低能能級結構（激發能直至約3 MeV），其中綠色箭頭表示M1躍遷，紫色箭頭表示E1躍遷，直觀反映了兩種躍遷類型在不同布居條件下的相對貢獻。

圖2 | 通過銅-70基態（gs）和同核異能態（m2）β衰變布居的鋅-70激發能的描述。a、b，鋅-70已知能級的示意圖，顯示了其以千電子伏特為單位的能量以及自旋和宇稱，直至約3 MeV，分別來自銅-70基態β衰變（a）和銅-70同核異能態β衰變（b）的布居。M1特征的躍遷以綠色顯示，E1特征的躍遷以紫色顯示。在銅-70同核異能態的能級方案中，高能正宇稱態向低能正宇稱態的衰變傾向于正宇稱和負宇稱態之間的偶極躍遷。c，鋅-70的宇稱分布（以負宇稱態與正宇稱態之比表示）在兩種不同自旋范圍內隨激發能的變化：從銅-70基態β衰變布居的自旋經一次偶極躍遷（自旋4—8，藍色）和從銅-70同核異能態β衰變布居的自旋經一次偶極躍遷（自旋0—3，橙色）。

圖3綜合展示了γSF的各分量分解。黑色實線為完整的E1+M1+M1型低能增強理論γSF，藍色實線為E1分量，粉色實線為M1分量，橙色實線為M1型低能增強指數分量。黑色虛線為施加E1抑制因子后的總γSF，藍色虛線為被抑制后的E1分量，而兩個M1相關分量保持不變。圖中空心藍色方塊為來自銅-70基態衰變的實驗數據，空心橙色三角形為來自銅-70同核異能態衰變的實驗數據。從圖3可以清晰看出，銅-70基態衰變數據與標準E1+M1+M1型低能增強模型高度一致，而銅-70同核異能態衰變數據則與E1被抑制后的理論曲線完美匹配。這一結果為低能增強現象的磁偶極本性提供了決定性證據。

圖3 | 鋅-70的γ射線強度函數（γSF）的分量分解。來自TALYS 1.96中Gogny+Hartree-Fock-Bogoliubov計算的E1+M1+LEE γSF以黑色實線顯示。該γSF的各個分量如下：E1分量為藍色實線，M1分量為粉色實線，M1型LEE為橙色實線。應用了E1抑制因子后的γSF為黑色虛線，被抑制的E1分量為藍色虛線。兩個M1分量（粉色線和橙色線）保持不變?？招乃{色方塊代表從銅-70基態衰變提取的鋅-70 γSF，空心橙色三角形代表從銅-70同核異能態衰變提取的鋅-70 γSF。來自銅-70基態的數據與標準的E1+M1+LEE γSF吻合良好，來自銅-70同核異能態的數據與E1被抑制的E1+M1+LEE γSF吻合良好。

該研究不僅首次明確了低能增強的電磁本性為磁偶極躍遷，還揭示了核結構效應對γSF提取結果的重要影響——不同的初始布居自旋和宇稱分布會導致觀測到的γSF形態出現顯著差異，這與廣義Brink-Axel假說并不矛盾，而是反映了終態能級可及性的差異。這一發現直接提升了核科學領域對恒星核合成過程的理論預測能力，因為低能增強對輻射中子俘獲反應截面的影響在模型中可以得到更精確的約束。未來，隨著稀有同位素束流裝置的進一步升級和探測技術的持續發展，科學家將能夠對更多核素的γSF進行系統性測量，從而全面揭示低能增強現象在核素圖中的分布規律及其與核結構參數之間的內在聯系，為核天體物理模型提供更為堅實的實驗基礎。