日前，北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室李智焕和华辉课题组及合作者在质子滴线外新核素的研究中取得重要进展：首次在实验中观测到四质子不稳定原子核18Mg，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末态(图1);实验同时发现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“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)，同时以编辑推荐(Editors’ Suggestion)和Physics杂志点评(Featured in Physics)的形式被亮点报道。

图1: 18Mg四质子发射示意图

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，揭示了丰富的核结构和核子关联信息。

李智焕、华辉课题组与合作者在美国国家超导回旋加速器实验室开展了滴线外Mg同位素的多质子衰变实验研究。实验利用20Mg放射性束流在9Be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，并使用Si-CsI(Tl)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)进行了高效率、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，此项研究在实验上首次确定了18Mg的基态质量和衰变宽度(图2)。

图2: 本实验中重建的18Mg不变质量谱及Mg同位素中2+态激发能的系统性演化

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同时双质子发射过程进行衰变。作为中间态的16Ne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。实验结果同时揭示了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北京大学物理学院2018届博士毕业生、美国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论文共同第一作者，李智焕、华辉和Kyle Brown为共同通讯作者。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、美国密歇根州立大学(Michigan State University)和圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)。此项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。