近日，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室杨晓菲课题组与合作者，利用共线激光谱技术精确测量了丰中子钪(Sc)同位素的电荷半径，观察到不同于邻近同位素链的新结构现象。相关研究成果以“丰中子钪同位素的电荷半径与0f_7/2壳层中的seniority对称性”（Charge Radii of Neutron-Rich Scandium Isotopes and the Seniority Symmetry in the 0f_7/2Shell）为题，于2025年5月7日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

原子核的电荷半径是研究核奇特结构的重要实验观测量之一，对于深入理解核子间相互作用以及检验核多体理论方法具有重要意义。长期以来，围绕质子幻数Z= 20附近核素的电荷半径测量，在探索核结构新现象和推动核理论模型发展方面发挥了关键作用。例如，^40-48Ca (电荷数Z= 20保持不变)同位素的电荷半径呈现出显著的奇偶震荡行为，这一独特现象早在40年前即被实验发现，至今仍在整个核素版图中独具特色。经过多年理论探索，尽管经验公式和DFT理论已能较好的描述这一现象，但近年来迅速发展的ab-initio理论计算仍面临挑战。另一个值得关注的例子是，美国NSCL国家实验室近期发现，丰质子钪 (Sc，Z= 21)同位素的电荷半径行为与邻近的K (Z= 19)和Ca (Z= 20)同位素截然不同，再次对现有理论模型提出挑战。上述实验现象引发了一系列新问题：为什么丰质子Sc同位素的电荷半径与邻近同位素链差异如此显著？在中子幻数N= 20到28之间，Sc同位素的电荷半径是否也展现出独特趋势？中子幻数N= 28的同中子素，其电荷半径又将如何变化？

针对上述核结构问题，杨晓菲课题组与合作者在欧洲核子研究中心ISOLDE放射性核束装置上开展了共线激光谱实验，精确测量了丰中子Sc同位素的电荷半径。令人惊讶的是，仅仅多增加一个质子，Sc (Z= 21)同位素的电荷半径演化趋势与^40-48Ca (Z= 20)完全不同。这一现象使原本在解释Ca电荷半径中取得成功的Fayan-DFT理论也陷入困境。特别是本工作首次测量的⁴⁹Sc的电荷半径，使我们可以将具有相同中子数N= 28的同中子素链（质子依次填充壳模型0f_7/2轨道）与具有相同质子数Z= 20的Ca同位素链（中子依次填充壳模型0f_7/2轨道）的电荷半径进行系统对比。有趣的是，二者均展现出类似的显著奇偶震荡特征(见图1)。这一共同特征暗示其背后存在共通的结构机制，并与0f_7/2轨道(位于幻数20和28之间)的独特性密切相关。

原子核基本性质的测量有时会闪现神奇的物理信息，有时一个关键数据点的引入，就能改变对原子核内在结构的理解，揭示隐藏的物理图像。本研究不仅为深入理解该质量区原子核在质子/中子幻数20和28之间的结构演化提供了关键实验依据，也为现有核理论模型的进一步完善提供了有力支撑。此外，本工作采用的同中子素链电荷半径系统分析的模式，可拓展到其它核素区域，有助于实验和理论对原子核基本性质和结构的深入研究。

图1：左图,Z= 20^40-48Ca同位素链（8个质子逐步填充壳模型0f_7/2轨道）的电荷半径变化；右图,N= 28同中子素链（8个中子逐步填充壳模型0f_7/2轨道）的电荷半径变化

课题组2022届博士研究生和原博雅博士后白世伟为本文唯一第一作者，杨晓菲教授为本文唯一通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和新基石科学基金会等的支持。

论文原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.182501