Independent Validation of Octupole Collectivity in radium-224 through lifetime measurements of low-lying negative-parity states
本研究通过精确测量 Ra 低能负宇称态的 衰变寿命，独立验证了八极矩集体性，并证实了其内在电偶极矩被强烈淬灭，从而为用于寻找电偶极矩的核模型提供了关键基准。
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物质的核心在于原子核，这是一个由质子和中子组成的致密集群，通常呈现出完美的圆形或略微扁平的形状。然而，一些重原子核却有所不同；它们不仅是凸起或扁平，而是拉伸成一种缺乏镜像平面的形状，形似梨形。这种被称为八极矩形变的异常形态，产生于原子核内部的构建模块以特定方式排列，从而打破了常规的对称性。科学家对这些梨形原子核深感兴趣，因为它们是稀有物理效应的强大放大器。如果自然界的基本定律在对待时间与镜像对称性方面存在差异，这些扭曲的原子核将比任何其他物体都更清晰地揭示这些违背现象。为了理解这一点，研究人员必须首先以极高的精度绘制原子核的图谱，测量它的振动方式以及内部电荷的分布情况，从而将预期的行为与新物理学的微妙信号区分开来。
在最近的一项研究中，一组物理学家将注意力转向了镭-224，该原子核长期以来被认为是这种梨形行为的典型代表。先前的实验已经表明，镭-224具有很强的八极矩形变，证实了它确实拥有这种不对称形状。然而，关于该原子核内部电学性质的问题仍然悬而未决。理论预测，尽管原子核呈梨形，但其内在电偶极矩——即正负电荷分离程度的度量——应该异常微弱。这种微弱性之所以被预期，是因为原子核内部两种强大的相反作用力被认为几乎完美地相互抵消了。为了测试这一点，研究人员需要测量特定的激发态在衰变前存在多久，这一过程可以揭示能级之间电跃迁的强度。
实验在加拿大粒子加速器中心TRIUMF进行，研究人员在那里制造了一束放射性�Francium-224（镥-224）束流，并将其射入一个名为GRIFFIN的专用探测阵列中。随着这些不稳定的镥原子发生衰变，它们转化为镭-224，并在新形成的原子核内填充特定的激发态。研究人员专注于两个与原子核梨形振动直接相关的低能负宇称态。利用一组由溴化镧晶体制成的灵敏探测器，团队测量了这些状态发射伽马射线并降至较低能级所需的时间。这种被称为“快速计时”的技术，使他们能够以极高的精度确定这些状态的平均寿命。他们发现，第一个负宇称态的寿命为444皮秒，而第二个为460皮秒。这些数字极其微小，仅代表万亿分之一秒，但它们提供了解锁原子核电磁奥秘的关键。
有了这些精确的寿命数据，团队计算出了约化跃迁概率，该数值描述了原子核改变形状并释放能量的难易程度。结果与此前涉及重离子散射的更复杂实验所推导出的数值相吻合，但准确度显著提高。这种独立的验证至关重要，因为它验证了描述原子核结构的电磁矩阵元。更重要的是，数据证实了理论预测，即镭-224的内在电偶极矩被强烈抑制。计算出的该偶极矩值约为0.032电子-费米，相对于这样一个高度扭曲的原子核而言，这个数字非常微小。这种微小的数值源于原子核的宏观形状与质子及中子的微观排列相互拮抗，几乎抵消了随梨形结构而产生的电荷分离。
这些发现为科学家用于描述原子核结构的模型提供了严格的基准。虽然某些理论计算可以重现镭-224的总体形状和能级，但它们无法预测电偶极矩极度微弱的现象，往往会高估其强度。新的测量结果表明，仅仅重现能级是不够的；一个成功的模型还必须解释不同内部贡献之间的微妙抵消。这种细节水平对于未来寻找永久电偶极矩的研究至关重要，因为这可能揭示超越标准模型的新物理。通过证明镭-224中的电偶极矩确实被淬灭，这项研究确保了未来寻找时间反演对称性破缺的实验是建立在坚实的、经过实验验证的基础之上的。这项工作表明，即使是在一个需要独特设施和稀有同位素的领域，独立验证仍然是确立科学知识可靠性的金标准。
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