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的杨再宏课题组与合作者首次直接测量了丰中子不稳定核7He激发态的三中子衰变，在多中子关联研究和寻找可能存在的纯中子物质形态（如三中子共振态）方面取得重要进展。相关成果以“Direct observation of three-neutron emission from 7He* and the search for the trineutron”为题，以Letter形式在线发表于《物理评论研究》(Physical Review Research)。
位于稳定性极限的丰中子原子核常通过发射中子进行衰变。其中，同时发射多个中子的衰变过程蕴含了极端丰中子体系的核子关联信息，是约束核理论中的两体及多体相互作用的重要实验探针。尽管双中子关联研究在过去十余年里已取得较大进展，但对三中子乃至更多中子发射的实验研究，长期以来受限于放射性束流强度与探测技术的双重挑战。
杨再宏课题组与合作者利用日本理化学研究所放射性核束工厂（RIBF）提供的高强度8He放射性次级束轰击液氢靶，通过中子敲出反应制备了处于激发态的7He原子核，该态的寿命极短，通过发射三个中子衰变到4He。基于当时国际上最先进的多中子探测器阵列及自主发展的多中子识别技术，实现了三个衰变中子的全运动学测量。进一步通过中子关联分析确认了该激发态的级联衰变机制（如图所示），即先发射单个中子到6He的2+激发态，随后再发射一对强关联中子对，该过程中发射的三个中子未形成共振态。
纯中子体系能否以束缚态或共振态的形式存在，是核物理领域争论已久的关键科学问题。本工作首次在实验上通过多中子符合探测实现了三中子关联研究，观测到其中的强关联中子对，但未发现三中子共振态的证据，对多中子体系的性质以及核理论模型提供了重要约束。
图：三中子体系的约化不变质量谱与不同衰变模式的比较（左）；基于中子关联分析确认的三中子发射模式的示意图（右）
北京大学物理学院2022届博士研究生、原博士后黄思维为论文第一作者，杨再宏为论文唯一通讯作者。合作者还包括来自日本理化学研究所、法国卡昂诺曼底大学、近代物理研究所等三十余家国内外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发计划、国家自然科学基金、核物理与核技术全国重点实验室等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1103/sr8h-2n6v
