质子滴线外原子核会自发发射质子以到达更稳定的末态，其中的多质子发射过程(具有三个及以上衰变产物)由于包含丰富的核子-核子关联信息，为深入理解质子滴线外原子核的结构和衰变机制提供了重要的实验手段。
近期，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李智焕和华辉课题组与美国密歇根州立大学的Kyle Brown等合作者对质子滴线外非束缚核21Al开展了研究。利用美国国家超导回旋加速器实验室提供的20Mg放射性次级束，通过其在9Be靶上的单质子俘获反应，布居了质子滴线外21Al核的高激发共振态，并对这些共振态瞬发衰变产生的四个末态粒子（3p+18Ne）进行了完全符合测量。利用不变质量法构建了21Al核的衰变能谱（见图1），首次观察到21Al核中的三质子共振态。
图1:实验中重建的21Al不变质量谱
通过分析21Al衰变出射的三个质子和剩余核18Ne的能量关联关系，发现实验观察到的21Al中能量最低的共振态会经过20Mg和19Na核的中间态进行衰变，具有三步单质子级联衰变的分支(见图2)。通过系统研究质子数(中子数)Z(N)=13的同位素(同中子素)的5/2+基态和最低的3/2+激发态的能量差(见图3)，显示21Al(Z=13,N=8)具有半幻核特性。
图2:21Al中衰变能为4.85MeV的共振态的主要衰变路径
图3:Z(N)=13同位素(同中子素)中5/2+基态和最低的3/2+激发态的能量差系统学
2025年6月13日，相关研究成果以“21Al中三质子衰变共振态的观测”（Observation of Three-Proton-Decaying Resonant States in21Al）为题，在线发表在《物理学快报B》(Physics Letters B)上。北京大学物理学院2021级博士研究生倪磊和北京大学物理学院2022届博士毕业生金瑜为论文共同第一作者，李智焕、华辉和美国密歇根州立大学的Kyle Brown为共同通讯作者。其他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、美国圣路易斯华盛顿大学等。
上述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。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139660
