北京大学物理学院和核物理与核技术国家重点实验室叶沿林教授课题组与中国原子能科学研究院林承键研究员课题组合作，利用北京HI-13串列加速器提供的束流，依靠高分辨的多粒子探测手段，准确识别4-α粒子，重建了16O的类Hoyle共振态，为原子核中存在类似玻色爱因斯坦凝聚(BEC)的量子态提供了新的实验证据。相关研究成果以“16O中类Hoyle结构的新证据”(New evidence of the Hoyle-like structure in 16O)为题，于2023年6月15日发表在《科学通报》(Science Bulletin)。
01
集团结构是在原子核低密度区普遍出现的奇特状态，近年来受到理论和实验的广泛关注。按照𝛼共轭核的Ikeda图(见图1)，𝛼集团结构容易出现在对应的集团分离阈值附近。随着激发能的提高，可以出现多𝛼结构直至最高阶的全𝛼结构。如果所有𝛼粒子均处于S轨道且体系的整体空间分布扩展，则原本以费米子(核子)独立运动为基础的核体系可转化为以玻色子运动为基础的BEC状态。这种演化体现了量子多体结构的奥妙，对核物质形态和核天体过程有重要影响。此前的实验和理论研究基本确认, 天体演化过程中影响巨大的12C的Hoyle态(7.65 MeV的激发态)是由3-组成的类BEC状态，它主要通过+ 8Be 3衰变。比12C重的体系里，由于实验直接测量多个且判断它们所处状态确实很困难，这种状态是否存在迄今缺乏可靠的实验证据。集团结构是在原子核低密度区普遍出现的奇特状态，近年来受到理论和实验的广泛关注。按照𝛼共轭核的Ikeda图(见图1)，𝛼集团结构容易出现在对应的集团分离阈值附近。随着激发能的提高，可以出现多𝛼结构直至最高阶的全𝛼结构。如果所有𝛼粒子均处于S轨道且体系的整体空间分布扩展，则原本以费米子(核子)独立运动为基础的核体系可转化为以玻色子运动为基础的BEC状态。这种演化体现了量子多体结构的奥妙，对核物质形态和核天体过程有重要影响。此前的实验和理论研究基本确认, 天体演化过程中影响巨大的12C的Hoyle态(7.65 MeV的激发态)是由3-组成的类BEC状态，它主要通过+ 8Be 3衰变。比12C重的体系里，由于实验直接测量多个且判断它们所处状态确实很困难，这种状态是否存在迄今缺乏可靠的实验证据。
图1: Ikeda图，显示集团结构和对应分离阈的关系
图2：前后类似测量结果的比较
02
叶沿林课题组与合作者使用96 MeV的16O轰击12C靶, 非弹激发16O至4破裂阈之上。通过多套基于硅微条探测器的粒子望远镜系统，首次实现了对16O高激发态衰变的4个的准确识别和不同衰变道的区分，从而保证了高显著度共振态的发现(见图2中的This work)。对于本实验探测到的部分4-α事件，可判断其中3个已经处于S轨道(构建了Hoyle态);而第4个可处于不同轨道，对应于几个高显著度的16O共振态。按现有理论，这几个共振态中，包含了第4个α也处于S轨道的情况(见图3)，是16O中出现类BEC态的重要证据，值得理论和实验上的进一步关注和确认。
图3：探测原理及物理过程示意图
03
北京大学物理学院技术物理系2018级博士研究生陈家豪为第一作者，叶沿林教授为通讯作者。国内合作单位包括中国原子能科学研究院等。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、核物理与核技术国家重点实验室开放基金等的支持。
