Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

在每个原子的核心，都隐藏着一个原子核，这是一个由质子和中子紧密堆积而成的簇，通常表现出可预测的简单性。当这些原子核受到激发时，它们通常会几乎瞬间释放掉多余的能量，在不到一秒的时间内将其释放掉。然而，大自然偶尔会创造出一种罕见的例外：核异构体。这是一种原子核被“卡住”的状态，它能将能量保留相当长的时间，有时甚至是数秒甚至数年。这种延迟之所以发生，是因为原子核改变了其形状或自旋，使得它很难回到较稳定的状态。科学家们研究这些顽固的状态，因为它们充当了敏感的探测器，揭示了物质的基本构建模块是如何相互作用的，以及量子世界的规则是如何塑造物理宇宙的。

几十年来，研究人员已知导致原子核被卡住的两个主要原因。有时，原子核改变了其物理形状，比如像一个球体拉伸成橄榄球，而将形状恢复原状所需的能量过高。另一些时候，原子核旋转得非常快，或者以某种特定的方向旋转，以至于在不违反物理规则的情况下无法轻易减速。直到现在，这两个延迟的原因一直被认为是独立的现象，发生在不同类型的原子中。一支物理学家团队现在发现了一个独特的案例，即这两个原因同时发生在一个原子中，创造了一个挑战我们目前对原子核结构理解的复杂谜题。

研究人员将注意力集中在金上，具体是稳定的同位素金-197。虽然金是一种熟悉的金属，但其原子核可以通过高能粒子束被诱导进入激发态。在伊利诺伊州 ATLAS 加速器进行的实验中，科学家们向一层厚金箔发射重原子束，以震动金原子核使其进入这些高能状态。然后，他们通过高度灵敏的探测器倾听伽马射线——即原子核最终放松时发出的光——的微弱信号，并进行等待。通过仔细计时这些信号，他们识别出了金原子核中一个从未见过的新的长寿命状态。

这个新发现的状态位于 2102 千电子伏特的能量水平，其自旋值为 29/2（自旋是角动量的度量）。这项发现之所以引人注目，是因为原子核决定如何释放能量的方式十分奇特。它并没有采取单一、直接的路径，而是面临着一个奇怪的困境。它可以由于改变形状来释放能量，这一过程通常是很高效的，但在这种情况下，该路径被严重阻碍了。与此同时，它可以通过减速旋转来释放能量，这一过程通常以接近单粒子强度进行，但在这里，它却与被阻碍的形状改变过程相竞争。原子核最终将其衰变分裂为两个竞争的分支：一个因形状改变而受到强烈阻碍，另一个则遵循与自旋相关的路径，尽管存在这种机制的异常共存，其强度却与之相当。

团队测得该状态的寿命长于十秒，这在核物理世界中简直是永恒。他们观察到，原子核在降至较低能量水平时会发射一束能量为 266.6 千电子伏特的伽马射线。这种特定的发射是一种通常非常罕见且缓慢的跃迁，然而它却与一个几乎完全被抑制的、更弱的形状改变跃迁直接竞争。这种被阻碍的形状改变与竞争性的自旋改变的异常共存，此前从未在长寿命核态中被观察到过。这表明金原子核正处于两种不同结构现实之间的夹缝中，既无法完全转向一种，也无法完全停留于另一种。

为了理解为何会发生这种情况，科学家们使用两种不同的核结构模型运行了详细的计算机模拟。一种模型将原子核视为一个变形的旋转物体，而另一种模型则观察内部的单个粒子。两种模型都一致认为，该原子核具有中度的扁平形状，但也揭示了冲突。计算显示，涉及形状改变的跃迁应该比观察到的要强得多，而与自旋相关的跃迁则更符合数据。这种差异表明，简单的模型忽略了关于形状和单个粒子在该特定状态下如何相互混合的重要信息。结果表明，即使是在稳定、广为人知的元素周期表区域附近，原子核的行为也可能比之前认为的要复杂得多。

这一发现意义重大，因为它迫使人们重新评估如何描述原子的内部生活。目前的理论通常将原子核的集体形状与其单个粒子的行为视为两个独立的故事。金-197 异构体表明，这两个故事是深度交织在一起的：形状阻碍了衰变，而自旋相关的跃迁则以接近单粒子的强度进行。这创造了一个独特的基准，用于测试现代理论，因为任何成功的模型现在都必须能够解释这两种不同类型的阻力是如何在单个原子中共同作用的。这一发现不仅仅是为核态列表增加了一个新条目，它还为观察原子核集体运动与组成部分的量子力学之间复杂的相互作用打开了一扇窗，证明了即使在熟悉的黄金领域，仍有深刻的奥秘等待被解开。