通过测量电荷改变截面研究不稳定原子核31Si的电荷半径

Charge radius is one of the most fundamental observables of atomic nuclides, which reflects the proton distribution and thus the nuclear forces inside atomic nuclei. So far, high-precision nuclear charge radii have been an important probe for studying nuclear ground state properties, searching for new exotic phenomena, examining various nuclear models and exploring the equation of state at low temperature, and has contributed significantly to many discoveries such as "neutron halo". In the last three years, nuclear charge-changing cross section (CCCS) measurements have been developed well and provided a new and powerful tools to determine nuclear charge radii. This method is especially suitable for mapping those exotic nuclei with low yield, and can be used as a complementary method to the isotopic shift. The CCCS method was used mainly in light nuclei with Z≤9 in previous studies, and thus the universal scaling law found in the CCCS method needs further investigation when applying to heavier systems. In this project, we propose to measure the CCCS of 29-31Si, typical nuclides in the sd shell, at relativistic energies at the radioactive beam line RIBLL2 and the external target facility (ETF) at IMP. By studying the dependence of CCCS on the reaction energies and targets, we are aiming to establish a better way to extract charge radii based on the Glauber-type model, and eventually to determine the charge radius of the unstable nuclide 31Si using 29,30Si as calibrator for the CCCS method.

电荷半径是原子核最基本的观测量之一，反映了原子核内部的质子分布和核子间的相互作用。目前，高精度的电荷半径数据已广泛应用于探索奇特原子核的结构和性质，对"中子晕"等的发现起了关键作用。电荷改变截面(CCCS)的实验测量是最近发展起来的一种研究电荷半径的新方法，这种方法尤其适于探索产额很低的奇特原子核。然而，目前CCCS方法主要应用于Z≤9的原子核。对于较重的原子核体系，CCCS方法的适用性有待实验进一步检验。基于近代物理物理研究所放射性束流线RIBLL2和外靶终端，我们提议在相对论能区测量29-31Si的CCCS，研究CCCS对入射能量和反应靶的依赖性，探索较重原子核体系的CCCS变化规律，提出适用于较重核区的Glauber模型，最终利用29-30Si定标，提取出31Si的电荷半径以及电荷密度分布。

在相对论能区，通过高精度测量原子核的电荷改变截面（CCCS）来提取电荷半径是近年来发展起来的一种新方法。这种方法尤其适合探索远离稳定线的奇特原子核。在本项目的支持下，基于兰州重离子储存环装置HIRFL-CSR，本课题组提出并建成了相对论能区原子核电荷改变截面研究平台，在300MeV/u能区开展了29-31Si在碳靶上的截面测量。取得的主要成果包括：1）建成了奇特原子核电荷改变截面测量平台，研制了达到了国际先进水平飞行时间-电荷分辨探测器系统，其中小尺寸塑料闪烁体探测器的时间分辨（5.1 皮秒）为当前同类探测器的最佳水平，电荷分辨亦达到国际最好水平；基于这些探测器，首次在RIBLL2实现了Z～20次级束粒子的清晰鉴别，这也标志着RIBLL2成为继德国GSI-FRS、日本RIKEN-BigRIPS之后，可开展300MeV/u能区放射性核束物理实验的一条新的束流线。2）在有限的束流条件下，利用建成的平台成功开展了300MeV/u能区18O和40Ar次级束原子核在C和CH2靶上的电荷改变截面测量，得到了11-15C、13,15-17N、28-32Si等在碳靶上的电荷改变截面数据，结果对于研究电荷改变截面的能量依赖性具有重要意义。3）开展了原子核电荷半径系统学研究，发现相邻多个原子核的电荷半径遵循一套简单的、高精度的公式，这套公式给出了一种提取原子核形状演化和形状相变的线索；进一步发现电荷半径的双微分值δR2p−2n(Z,N)与对应的四级形变值存在一个很好的线性关系。4）对151Lu的质子发射和109In的高自旋态、寻找张量力存在证据等方面开展了实验研究，与合作者在原子核质量预言等方面进行了理论研究。已发表SCI论文13篇，包括Phy. Rev. Lett. 1篇，Sci. Bull. 2 篇，Phys. Lett. B 1篇，Phys. Rev. C 5篇，Nucl. Instru. Meth. A 2篇，邀请综述1篇；另有会议论文2篇，1篇邀请书籍章节；作为组委会成员，共同组织了国际学术会议6次，国内学术会议1次；课题组成员在国内外学术会议上作报告35次，其中大会报告和邀请报告14次。毕业硕士生3人，博士生1人。本项目为下一步探索pd壳原子核的幻数演化奠定了坚实基础，同时对于正在建设的HIAF的高能束流线具有参考价值。