《Nature》重磅：首次破译原子核衰变中的“磁偶极”终极秘密

在原子核物理学与核天体物理学领域，原子核激发态向下衰变发射伽马射线的概率由光子强度函数（γ-ray Strength Function, γSF）所表征。按照传统的巨偶极共振（Giant Dipole Resonance, GDR）理论，当伽马射线能量逐渐逼近零能量极限时，γSF 应当显著衰减。然而，近年来在针对多核素的实验测量中，物理学家观察到一个反常现象：在低于3 MeV的低能量伽马光子区域，γSF 出现了剧烈的上扬趋势，这一现象被称为“低能增益”或“低能增强”（Low-Energy Enhancement, LEE）。

低能增强现象的发现引发了关于其微观物理机制的激烈讨论，争论的核心在于其电磁选择定则性质——该过程究竟是由电偶极跃迁（E1）主导，还是由磁偶极跃迁（M1）主导？

发表于《Nature》的重磅研究论文《Magnetic character of the low-energy enhancement in 70Zn》，由密歇根州立大学稀有同位素束流设施（FRIB）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）及挪威奥斯陆大学等国际联合团队（第一作者为 E. K. Ronning）合作完成。该工作利用精密的核反应测量与偏振测量技术，在⁷⁰Zn核素中首次给出了明确无误的实验证据：在低能区观测到的光子强度函数增益具有纯粹的磁偶极（M1）性质。

这一结果不仅解答了困扰核物理学界十余年的微观选择定则悬案，也为校准现代壳模型与核天体物理中的重元素核合成（r-过程与 s-过程）模型提供了决定性的实验基准。

研究背景与争议焦点

光子强度函数与低能增益（LEE）

光子强度函数（γSF）是描述核激发态衰变特征与光核反应截面的基本量。自2004年奥斯陆大学实验组在利用“奥斯陆方法”（Oslo Method）提取带电粒子与中子诱发反应数据时首次发现 LEE 以来，这一低能段跃迁增强现象相继在铁、钐、镨、钼等多个质量数区间的同位素中被观测到。

如果低能区存在高强度的光子跃迁，它将极大提升高激发态原子核通过连续发射低能伽马光子进行冷却的效率，直接改变热核反应网络中（n,γ）中子捕获反应的截面。

电偶极（E1）与磁偶极（M1）之争

然而，由于早期奥斯陆方法仅能测量出不区分电磁性质的总光子强度函数f(E_γ) = f_{E1}(E_γ) + f_{M1}(E_γ)，理论界对 LEE 的微观物理起源形成了两大截然不同的假说：

1. 电偶极跃迁（E1）假说：部分核结构模型（如准粒子随机相近似 QRPA 模型）预测，在弱束缚核或丰中子核的外围存在中子皮的平移相对振荡，这可能导致低能区出现“剪切模式”（Scissor Mode）或超低能区域的电偶极剪切运动，从而产生 E1 跃迁增强。
2. 磁偶极跃迁（M1）假说：基于大规模壳模型（Large-Scale Shell Model, LSSM）的计算则预测，当原子核处于高能级密度区时，由未配对质子与中子相互作用引起的“自旋翻转”巨共振尾部，或者价核子轨道的轨道磁矩耦合，会触发极强的低能 M1 连续跃迁。

区分这两者的实验难点在于：在小于 2 MeV 的低能段，伽马射线的线偏振度测定极其困难，且内部转换电子系数在该能量区间的测量受限于高本底与能量分辨率。

实验方法与技术突破

为了确证⁷⁰Zn中低能增强的电磁属性，研究团队在密歇根州立大学与合作单位搭建了高精度的多探测器反冲符合阵列，结合改进的偏振敏感高纯锗（HPGe）三叶草探测器（Clover Detectors）进行线偏振测量。

1. 反应通道选择与能级布居

研究团队利用质子或氘核束流轰击高纯 Zinc-70 靶，通过转移动力学反应例如⁷⁰Zn(d, pγ)⁷¹Zn或非弹性散射反应，精准布居⁷⁰Zn的特定连续能级。反冲带电粒子的能量与散射角被高精度粒子探测器记录，从而准确确定反冲核的激发能量E_x。

2. 奥斯陆方法与偏振角分布测量

• 萃取光子强度函数：通过分析与带电粒子符合的初级伽马射线谱（Primary γ-ray spectra），利用奥斯陆方法将连续衰变矩阵解耦为核能级密度（Nuclear Level Density, NLD）与光子强度函数（γSF）。
• 极化康普顿散射：利用 Clover 探测器的多晶体结构，伽马光子在其中一颗晶体发生康普顿散射并在邻近晶体被吸收。根据电磁学理论，E1 跃迁与 M1 跃迁散射出的光子在垂直和平行于反应平面方向上的各向异性（Asymmetry Parameter A）具有截然相反的符号。

通过对低于 2 MeV 的低能连续伽马射线进行高统计量的康普顿偏振分析，实验团队获得了清晰的极化测量信号。

核心实验发现与微观机制解释

分段能级的电磁响应特征

实验测量数据清晰展现了光子强度函数在不同能量区间的演化规律与电磁归属：

• 在 0.5 至 2.0 MeV 的低能区，光子强度函数呈现出指数级上扬，增强因子达到 3 至 5 倍。这一区间的偏振测定不性参数展现出明确的磁偶极特征符号，证实在此能量范围内 M1 跃迁占据了 100% 的绝对主导地位，完全排除了 E1 跃迁的作用。
• 在 2.0 至 4.0 MeV 的过渡区，强度函数变化趋势逐渐平缓，偏振信号呈现 M1 与 E1 的混合跃迁特征。
• 当能量高于 8.0 MeV 时，衰变进入传统的巨偶极共振（GDR）尾部区，偏振信号转变为明确的电偶极特征符号，回归到以 E1 跃迁为主导的经典图像。

微观机制：核子自旋翻转与轨道角动量耦合

大规模壳模型（LSSM）对⁷⁰Zn（包含 30 个质子和 40 个中子）的理论演化计算与实验结果高度吻合。计算揭示，⁷⁰Zn的微观结构特征如下：

1. 价核子轨道的填充：⁷⁰Zn的质子处于f_{7/2}壳层闭壳上方，中子填充至 p_{1/2}, f_{5/2}, g_{9/2}轨道。
2. 自旋翻转机制：在激发态衰变过程中，质子与中子在自旋-轨道分裂轨道（例如 πf_{7/2}→πf_{5/2}或νg_{9/2}→νg_{7/2}）之间发生自旋翻转。这些跃迁产生的磁偶极矩相位干涉在低能量变化区间形成相干叠加，导致B(M1)强度在低能端出现强烈的集中累积。

这最终证明：低能增益现象是原子核内部多体量级下自旋与轨道磁矩相互作用的必然微观产物。

科学意义与多学科应用价值

明确⁷⁰Zn中 LEE 的 M1 性质，对核物理理论、天体物理演化及应用核技术产生了深远影响：

1. 解决天体物理核合成（r-过程与 s-过程）的截面计算难题

在超新星爆发或双中子星合并等极端天体物理环境中，快中子捕获过程（r-过程）是宇宙中半数以上比铁重元素（如金、铀等）的合成途径。由于 r-过程涉及大量极具不稳定性、无法在实验室直接测量的丰中子短寿命核素，天体物理学界高度依赖 Talys 或 Empire 等核反应代码进行截面外推预测。

此前，由于不清楚低能增益是 E1 还是 M1，理论计算中的（n,γ）捕获截面存在数量级上的不确定性。在将低能增益确认为 M1 跃迁后，理论模型可以将计算不确定度压缩数倍，显著提升对恒星核合成元素丰度分布的预测精度。

2. 为现代核结构理论提供严格检验基准

该实验数据为从头计算、密度泛函理论（DFT）以及壳模型提供了高强度的约束条件。特别是对于处于中等质量区间的过渡核素（如锌同位素链），M1 跃迁强度的低能分布成为了检验核力中三体力（Three-body forces）与自旋-轨道耦合精细结构的试金石。

3. 应用核物理与工程仿真

在核反应堆物理、乏燃料衰变热计算以及高能伽马射线屏蔽设计中，连续谱伽马级联衰变模拟（如 Geant4、MCNP）依赖于精确的γSF 数据库。M1 强度的正确修正能够改善核裂变产物低能伽马辐射谱的计算精度，对国家安全领域的核材料非破坏性监测具有直接技术价值。