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晓菲课题组与合作者利用激光核谱方法精确测量了丰中子Sc同位素的电磁性质，其中49Sc同位素的电四极矩结果“为独立粒子模型的图像提供了教科书级别的实验实例”，有效检验了现有大尺度壳模型和ab-initio IMSRG计算并促进其进一步发展。此项研究成果于2022年04月以“Electromagnetic moments of scandium isotopes and N = 28 isotones in the distinctive 0f7/2 orbit”为题发表于《物理快报B》（Physics Letters B，829，137064（2022）https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.137064）杂志上。北京大学物理学院2017级博士研究生白世伟为第一作者，杨晓菲研究员为通讯作者；其它合作单位包括比利时鲁汶大学、加拿大TRIUMF国家实验室、欧洲核子研究中心等。上述研究工作得到中国科技部重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。
不稳定原子核的基本性质和结构研究是核物理领域的热点问题之一，对于深入认识核子-核子相互作用和发展量子多体方法具有重要意义。近年来，对丰中子双幻核钙区域不稳定原子核的基本性质研究受到了实验和理论的持续关注。在原子核壳模型图像中，0f7/2单粒子轨道处于幻数20和28的两个主壳之间。因此，当价核子在此单粒子轨道上填充时，原子核应该表现出较理想的单粒子特性。Z = 21的钪（Sc）同位素，其单个价质子填充0πf7/2轨道，形成了较理想的单粒子系统。因此，奇-A钪同位素的电磁性质的精确测量，能够对单粒子理论图像、核子-核子关联效应、以及多种理论模型给出更加灵敏的检验。
图1：幻数20和28之间， Z = 21同位素和N = 28同中子素的磁矩和电四极矩，与现有两种核理论计算结果对比
课题组利用欧洲核子中心ISOLDE放射性核束装置上共线激光谱COLLAPS和共线共振电离谱CRIS两种实验方法研究了丰中子Sc同位素的基本性质。两种方法相互验证，解决了文献中47-49Sc磁矩长期存在的矛盾，并首次精确测量了49Sc的电四极矩。图1给出了幻数20和28之间，Z = 21同位素和N = 28同中子素磁矩和电四极矩的实验值，并与两种核理论计算结果对比。实验结果显示41Sc和49Sc核素的基态具有典型的单粒子结构，与壳模型图像一致。但随着更多质子数（或中子数）在0f7/2轨道的填充, 核子-核子关联效应影响了原子核的电磁矩。N = 28同中子素的电四极矩与独立粒子模型的图像一致，表现出理想的对称线性增长。大尺度壳模型和第一性原理IMSRG计算，虽然能够大体给出电磁矩在Z = 21同位素链和N = 28同中子素链的变化趋势，但均不能精确描述图1中核素的磁矩和电四极矩。此工作为理论模型的进一步发展提供了实验基础。目前课题组正在规划和准备进一步研究N = 32“新幻数”区域更丰中子Sc同位素基本性质的实验。
