Evaluation of Phenomenological Characteristics of the Two-Proton Decay of the 45Fe Nucleus

在原子世界的极端边缘，当维持原子核结合的力量被拉伸至断裂点时，一种罕见且转瞬即逝的现象发生了。一些原子核由于质子过多而过于沉重，以至于无法承载所有质子；它们是不稳定的，必须通过抛弃多余的质子来寻找稳定性。虽然许多不稳定原子只是简单地弹出单个质子，但一类位于“质子滴线”之外的特定原子核面临着不同的挑战：它们必须同时弹出两个质子。这种被称为双质子放射性的现象是量子力学中一场微妙的舞蹈，其中逃逸粒子的时机与相互作用揭示了原子核隐藏的结构。几十年来，物理学家们一直在争论这一过程是如何发生的：两个质子是一个接一个地离开，并在一个真实的、中间状态中短暂停留，还是通过一个虚拟的、转瞬即逝的构型以单一的、协调的爆发形式共同逃逸？理解这一过程至关重要，因为它充当了探测塑造原子核基本力量的探针，为观察在宇宙中其他任何地方都无法创造出的条件下物质行为提供了一个窗口。

沃罗涅日国立大学的一个研究小组开发了一种新的数学框架来回答这些问题，并将其应用于铁-45原子核，这是此类衰变的一个基准系统。铁-45是一种处于稳定性边缘的稀有同位素，当它发生衰变时，通过弹出两个质子转化为铬-43。科学家们基于“格林函数”（Green's function）的概念创建了一个复杂的理论，该函数充当了连接初始原子核与最终原子核及其中间阶段的桥梁。这种方法允许他们将两个质子的发射视为两个连续的步骤，但有一个关键的转折：该理论同时考虑了中间原子核作为一个真实的、临时状态存在的情景，以及它仅作为一个虚拟的、数学上的可能性而从未完全形成的情景。通过使用这种统一的方法，研究人员不仅可以计算衰变的速度，还可以计算质子飞散的具体方向。

研究人员利用一种考虑了原子核超流性质的模型将该理论应用于铁-45，在这种性质下，质子成对结合并以协调的方式运动，类似于电子在超导体中的运动方式。他们将计算结果与真实的实验数据进行了对比，特别是观察了衰变的总体速度和发射质子的角度分布。结果显示，计算结果对核势（即描述原子核内部力场的数学描述）的选择具有显著的敏感性。团队发现，只有一种之前在其他研究中提出的特定版本的核势，能够同时再现测得的衰变率和观察到的质子角度模式。其他在其他背景下数学上有效的势模型，在应用于这一特定衰变时，都无法匹配实验现实。

最重要的发现之一是，研究人员能够排除质子仅仅作为独立粒子离开且没有任何关联，或者在逃逸前形成一个紧密的、预先存在的簇（即“双质子”）的想法。相反，数据支持这样一种图景：质子是以顺序方式发射的，但这一过程深受中间原子核量子力学“虚拟”状态的影响。研究表明，质子的角度分布——即它们飞散的角度——包含了核结构的隐藏特征。当研究人员将他们的理论预测与质子角度的实验直方图进行比较时，他们发现正确的核势产生了一条几乎完美匹配数据的曲线，捕捉到了其他模型所忽略的细微不对称性。

论文得出结论，这种新的格林函数方法为理解双质子放射性提供了一个一致且强大的工具。它成功地在对真实顺序衰变的理论描述与更难以捉摸的虚拟衰变之间架起了桥梁，且这一切都在统一的量子力学框架内实现。通过展示正确选择核势对于再现实验结果至关重要，这项工作强调了这些衰变过程对原子核微观细节的敏感程度。研究人员强调，他们的方法并不依赖于人为的调整，而是自然地源于质子配对和壳层结构的底层物理学。这表明，发射质子的角相关性可以作为理论模型的严格测试，提供了一种区分不同核力描述的方法。最终，研究证实，铁-45原子核通过一种涉及虚拟中间状态的顺序过程机制进行衰变，而特定形状的核力场是解锁这一罕见宇宙事件细节的关键。