北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室李智焕副教授和华辉教授课题组与合作者首次在实验中观测到四质子不稳定原子核¹⁸Mg（镁），其比自然界稳定存在的最轻的镁同位素少6个中子，通过奇特的四质子发射模式衰变到长寿命的¹⁴O（氧）末态；同时，发现了¹⁸Mg中可能的第一个2⁺态，为质子滴线附近N = 8幻数的消失提供了新的证据。2021年12月22日，相关研究成果以“四质子不稳定原子核¹⁸Mg的首次实验观测”（First observation of the four-proton unbound nucleus ¹⁸Mg）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并以“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）和美国物理学会旗下期刊《物理》（Physics）点评（Featured in Physics）的形式被亮点报道。

远离稳定线的原子核结构研究发现了大量的奇异现象，如原子核晕的形成、新幻数的产生、新的衰变模式等。质子滴线外的非束缚原子核会自发出射质子到达更稳定的末态；由于核子的对效应，其中偶质子数原子核倾向于同时发射两个质子。近年来，在轻质量区极丰质子的滴线外原子核中，还发现了稀少的三质子和四质子发射现象。这类奇特的衰变模式为研究质子滴线外的新核素提供了强大的谱学手段，揭示出丰富的核结构和核子关联信息。

近期，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室李智焕副教授和华辉教授课题组与合作者在美国密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室开展滴线外镁同位素的多质子衰变实验研究：利用²⁰Mg放射性束流在⁹Be（铍）靶上的双中子敲出反应，成功产生了质子滴线外的新核素¹⁸Mg（图1），并使用Si-CsI(Tl)（硅探测器、掺铊碘化铯闪烁晶体）带电粒子望远镜、闪烁光纤探测器和S800磁谱仪等装置对其瞬发衰变产生的五个末态粒子（4p+¹⁴O）进行了高效、高分辨的符合探测。根据测量结果，重建了母核¹⁸Mg的不变质量谱，从而在实验上首次确定了¹⁸Mg的基态质量和衰变宽度（图2）。

图1 ¹⁸Mg四质子发射示意图

图2 实验重建的¹⁸Mg不变质量谱及Mg同位素中2⁺态激发能的系统性演化

联合研究团队通过研究衰变末态的四个质子和剩余核¹⁴O的能量关联，发现¹⁸Mg基态经过级联的两步双质子同时发射的过程进行衰变。作为中间态的¹⁶Ne（氖）基态寿命相对较长，因此前后两步双质子发射过程彼此相对独立。实验结果同时揭示出¹⁸Mg基态与¹⁶Ne基态的衰变关联的相似性，表明¹⁸Mg基态的双质子衰变过程很可能也以s波的质子发射为主。实验的另一个重要发现是，同时观测到¹⁸Mg中可能的第一个2⁺态，其激发能比邻近的偶偶核同位素²⁰Mg（拥有8个中子的满壳层）更高，为Mg同位素中N = 8中子壳能隙的减弱提供了新的证据。

在此项研究工作中，北京大学物理学院2017级博士研究生金瑜和2018届博士毕业生、密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室博士后牛晨阳为共同第一作者，李智焕、华辉和密歇根州立大学Kyle Brown为共同通讯作者。其他合作单位包括中国科学院近代物理研究所、中山大学、复旦大学、美国圣路易斯华盛顿大学等。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.262502

《物理》点评提要：https://physics.aps.org/articles/v14/s165