近期，北京航空航天大学的孙保华教授和谷畑勇夫教授领导的核物理研究团队与国际合作者一同系统测量了从锂至氧等24种同位素在900A MeV能区（~0.86倍光速）的碳和氢靶上的电荷改变反应截面，并提出了一种提取原子核点质子分布半径的新方法。研究成果以“A new approach for deducing rms proton radii from charge-changing reactions of neutron-rich nuclei and the reaction-target dependence”为题在综合性期刊Science Bulletin上发表 [Science Bulletin 69 (2024) 1647]。北航物理学院孙保华教授和谷畑勇夫教授为共同通讯作者，北航物理学院博士生张寂潮为第一作者，北航为第一单位。
原子核的尺寸有多大？质子和中子在原子核中是如何分布排列的？这些是核物理学中非常基本且至关重要的问题。R. Hofstadter（1961年诺贝尔物理学奖获得者）等利用电子弹性散射方法，研究了稳定原子核内的电荷分布。然而，这一方法很难拓展到短寿命、不稳定的原子核。基于放射性核束装置，高精度测量原子核在质子、碳等靶上的反应截面，探索不稳定原子核内核子密度分布，一直是核物理学研究的前沿课题。不同于理论非常完善的电子散射方法，将强子、重离子作为探针研究原子核，面临着几个关键难题：当前的核反应理论是否完善？如何高精度计算强子-原子核碰撞、重离子碰撞中的强相互作用？可否从不同能量、不同实验靶的研究中得到自洽的结果？为了厘清这些问题，亟需在不同能量和靶核下，对同位素链开展系统测量，发展基于强子探针的实验方法。
孙保华教授和谷畑勇夫教授领导的课题组，联合国际合作者，利用德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的放射性核束装置FRS，在900A MeV能区（~0.86倍光速），系统测量了从锂至氧等24种同位素在碳和氢靶上的电荷改变反应截面。数据涵盖稳定核及至丰中子原子核，其中大多数为首次发布。该研究表明，在电荷改变反应中，直接移除质子的过程平均贡献了总截面的约90%（碳靶）和75%（氢靶），但在各核素上的贡献并不相同。研究发现并提出了一个唯象因子，标记在核核碰撞中先发生中子移除、然后级联质子蒸发的过程，为质子蒸发过程的存在提供了实验依据。考虑反应理论的唯象修正后，在统一的框架下，分别利用碳靶和氢靶数据，提取了碳同位素链(12,14–19C)和氮同位素链(14,15,17–22N)以及其他轻核的点质子分布半径。发现随着中子数的增加，对于具有偶数质子的原子核，利用两个反应靶提取的半径吻合，但是对于具有奇数质子的原子核，从碳靶数据提取的半径逐渐倾向于大于从氢靶中得到的结果，这需要实验和理论上的进一步探索。
图1: 电荷改变反应过程示意图
电荷改变反应截面包含了两个过程的贡献。第一个是直接移除过程，即在反应中直接移除质子（或其他带电粒核子）的过程，这一过程可以由Glauber模型理论计算。另一个过程为质子蒸发过程，分为两个阶段：在直接反应阶段首先移除一个或多个中子，留下一个高激发态的剩余核；剩余核随后级联蒸发出带电粒子（通常为质子）。
图2：在不同靶上核反应中质子蒸发过程的贡献占比
实测截面与理论截面的比值与S1显示出强的线性关联，其中理论截面代表的是直接质子移除过程，S1因子（S1NAZ=SnNAZ+Sp(N-1A-1Z)）反映了单中子移除后、级联蒸发单质子的概率。图中的彩色数据点代表点质子分布半径已知的稳定原子核；半透明符号代表拟研究的半径未知的不稳定原子核，。这些原子核的半径可以通过内插、而非外推的方式提取。质子蒸发过程在碳靶上的电荷反应截面中占比为10% – 15%，在氢靶的截面中占比为20% – 30%。
图3：利用碳靶和氢靶数据提取的轻原子核的点质子分布半径
图(a)和(b)分别展示了在这两种靶上获得的具有奇数与偶数质子的原子核的半径之差。对于具有偶数质子的原子核，两种个半径相互吻合；对于具有奇数质子的原子核，随着同位旋的增加，两种半径的差异趋向于逐渐增大，。这可能与强子探针效应、点质子密度分布形式等有关。
该研究得到了国家自然科学基金委以及国家领军人才支持计划等大力支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732400207X
Science Bulletin公众号新闻链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/G915B9fL5zuDQEuYxTpn8g
