物理学院杨再宏、叶沿林课题组实验发现丰中子滴线核氦-8中的中子对凝聚态

　　

近日，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杨再宏研究员和叶沿林教授课题组与合作者在丰中子滴线核氦-8（⁸He）中发现了一种新奇的双中子集团凝聚态。本工作通过观测⁸He的特征激发过程及其关联中子发射，揭示了⁸He的0₂⁺激发态中的4个价中子可以形成两个强关联中子对，并进一步形成类似于玻色-爱因斯坦凝聚态的奇特集团结构。这是首次在实验上观测到原子核体系中的中子对凝聚现象。2023年12月13日，相关成果以《氦-8原子核中观测到奇特的02+集团态》（“Observation of the exotic 0₂+cluster state in⁸He”）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并同时入选“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）和“物理亮点”（Featured in Physics）。美国物理学会的《物理》（Physics）杂志以《氦-8激发态中的中子对凝聚》（“Neutron Pairs Condense in Excited Helium-8”）为题对该工作进行亮点报道。

利用⁸He原子核的非弹散射实验研究⁸He(0₂⁺)类BEC集团态的示意图。（a）⁸He(0₂⁺)态单极跃迁强度的实验结果与理论计算的比较；（b）⁸He(0₂⁺)态的中子关联分析

量子凝聚态是一种新奇的物质形态，最初由玻色和爱因斯坦在20世纪20年代从理论上给出了预言，当玻色子原子体系处于接近绝对零度的极低温度时，所有原子会聚集到能量最低的量子态，从而产生一种新的物质形态，即玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate，简称BEC）。美国科学家埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·韦曼（Carl Wieman）、德国科学家沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）因首次在超冷玻色子原子气体中实现BEC而获得2001年的诺贝尔物理学奖。近年来，费米子原子体系的凝聚态也已在实验上发现，尽管存在泡利不相容原理的限制，费米子原子可以通过形成双原子分子或关联原子对而实现凝聚。理论预言，在丰中子原子核体系中也存在类似的由强关联中子对形成的凝聚态，而且它可能也存在于中子星中，对认识中子星的结构和性质具有重要意义。但是，长期以来，在实验上产生和识别这种新奇的物质形态都是一项巨大的挑战。

北京大学实验核物理团队采用了单极跃迁这种独特的核反应手段来研究⁸He中具有中子凝聚态结构的0₂⁺激发态。2009年，北京大学实验核物理团队提出并主导在日本理化学研究所的放射性束流装置上开展的⁸He的非弹激发与衰变实验。部分⁸He原子核与碳靶作用发生单极跃迁从而生成0₂⁺共振态，该态随即衰变为一个⁶He原子核和一对中子，并被磁谱仪和专门设计的中子探测器阵列所探测。研究团队通过深入分析反应及衰变过程中的粒子关联效应，区分了多中子参与的复杂反应与衰变机制，从而排除复杂的本底过程，最终清楚识别了0₂⁺激发态。进一步的分析表明，它的生成过程具有很强的单极跃迁强度、并通过发射强关联的中子对发生衰变，这些特征与理论预言相符，从而确认了它的类BEC集团结构。这是首次在实验上观测到由强关联中子对凝结形成的类BEC集团结构，揭示了丰中子原子核体系的一种新的特性，有助于深入认识不稳定核奇特结构和探索核物质（包括中子星）的性质。

杨再宏和叶沿林为论文共同第一作者和共同通讯作者，北大实验核物理团队的十几位成员承担了主要实验工作和各阶段数据分析工作，北京大学许甫荣教授课题组和复旦大学周波教授承担了主要理论计算工作。合作者还包括来自日本理化学研究所、北京航空航天大学、韩国基础科学研究院等单位的实验和理论研究人员。

上述研究工作得到国家重点研究计划、国家自然科学基金以及核物理与核技术国家重点实验室等的支持。