奇奇核80Br候选手征带能级寿命：揭示原子核手征奥秘的关键探索

奇奇核80Br候选手征带能级寿命：揭示原子核手征奥秘的关键探索一、引言1.1原子核手征对称性研究背景手征对称性是自然界的基本属性之一，在粒子物理、分子生物学和化学等领域都有着极其重要的影响和科学意义。例如在粒子物理中，手征对称性的破缺与基本粒子的质量起源密切相关；在分子生物学里，许多生物分子如DNA具有特定的手性结构，对生命活动起着关键作用。而在很长一段时间内，原子核这一微观层次是否存在手征对称性并不清楚。1997年，S.Frauendorf和孟杰在研究三轴不对称原子核性质时理论预言了原子核的手征对称性。他们指出，对于存在三轴形变的原子核，当奇质子和奇中子分别绕最短和最长主轴旋转，而“核芯”绕中等长度主轴旋转时，三种转动的合成会导致原子核具有左手性和右手性，即手征性。这种手征性的观察被认为将为原子核存在稳定三轴形变的假设提供有力证据，也使得手征性成为原子核的一个新性质。在原子中，电子倾向于两两配对形成壳层结构，原子核中的核子也有类似的行为。但在奇奇核（质子数和中子数都是奇数的原子核）中，会剩下一个质子（奇质子）和一个中子（奇中子）无法成对，它们在“核芯”外旋转。对于轴对称原子核，奇质子、奇中子与核芯绕共同旋转轴（对称轴）旋转，如同垂直定向的陀螺；而对于具有恰当质子数和中子数的三轴形变核，其转动模式更为复杂，从而产生手征性。2001年，原子核手征对称性在实验上得到证实。由美国和德国研究人员组成的研究组通过测量特定原子核发出的伽马射线的能量和方向，确定每个态的能量和相对自旋，在原子核中发现了“手征双重带”。即在一定自旋范围内，一条转动带中的每个态与另一条转动带中具有相同自旋的态（左手态和右手态）能量不同但很接近，这是三轴形变原子核手征性的实验表现，也为非轴对称原子核的存在提供了直接证据。原子核手征对称性的研究打开了原子核研究的新方向，成为热门研究课题。它为深入理解原子核的结构和性质提供了新的视角，有助于揭示原子核内部的相互作用和运动规律。例如，通过研究手征对称性与原子核其他性质（如能级结构、电磁跃迁等）的关联，可以进一步认识原子核的量子多体特性。并且，由于对称性本质上与基本相互作用相关，对原子核手征对称性的研究也有助于加深对基本相互作用的理解。1.280Br高自旋态研究进展对80Br高自旋态的研究在原子核物理学领域具有重要意义，它为探索原子核的结构和性质提供了关键信息。在早期对原子核结构的研究中，主要集中在稳定核素的基态性质。随着实验技术的发展，特别是重离子加速技术和在束γ谱学技术的出现，使得研究原子核的高自旋态成为可能。20世纪70年代起，重离子熔合蒸发反应成为布居原子核高自旋态的主要手段。科学家们通过这种方法，研究了大量原子核的高自旋态性质，发现了转动顺排、带交叉、形状共存等一系列新现象。在这一背景下，A～80核区的研究逐渐展开，80Br作为该核区的奇奇核，因其独特的质子数和中子数组合，受到了特别关注。2011年，王守宇等人通过实验建议奇奇核80Br为一个手性原子核候选对象，这也是A～80核区首例手性原子核。手性原子核的判定需要满足一系列严格的条件。除了存在一对相同组态的△Ⅰ=1的近简并转动带外，还包括具有恒定的自旋劈裂S(I)值、相应能级具有相近的电磁跃迁几率，即B(M1)和B(E2)值相近、电磁跃迁几率的比值B(M1)/B(E2)随着自旋变化而产生奇偶摇摆、具有相近的自旋顺排以及带间不会出现E2跃迁。其中，电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)与能级寿命紧密关联，而准确测量能级寿命是提取这些物理量的关键，也是验证80Br是否为手性原子核的重要环节。此后，针对80Br的研究不断深入，研究人员致力于通过更精确的实验测量来确定其高自旋态的能级结构和相关物理量。如通过在束γ谱学实验，对80Br发射的γ射线进行探测和分析，获取更多关于其能级跃迁和电磁性质的信息。但由于实验技术的限制和原子核微观世界的复杂性，目前对80Br高自旋态的研究仍存在许多未解决的问题，尤其是关于其手征带电磁跃迁几率的准确验证，仍有待进一步的实验研究。1.3能级寿命研究的重要性能级寿命是原子核的一个基本物理量，从统计观点看，它是指一条能级平均能存在的时间。在原子核物理研究中，能级寿命的测量对于深入理解原子核的结构和性质具有不可替代的重要性。对于80Br候选手征带而言，能级寿命的精确测量是验证其是否为手性原子核的关键环节。如前所述，手性原子核的判定条件之一是一对近简并转动带的相应能级具有相近的电磁跃迁几率，即B(M1)和B(E2)值相近。而电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)与能级寿命紧密相关，通过测量能级寿命，可以准确提取这些电磁跃迁几率，从而判断80Br是否满足手性原子核的这一重要判据。若能确定80Br为手性原子核，将为A～80核区的原子核结构研究提供重要范例，有助于进一步探索该核区原子核的手征对称性及相关性质。能级寿命的测量还能为研究原子核的内部结构和相互作用提供直接信息。不同的原子核结构和核子间相互作用会导致能级寿命的差异。例如，在一些原子核中，能级寿命的变化可以反映出核子的集体运动模式与单粒子运动模式之间的相互转换。对于80Br，其能级寿命的测量结果可以帮助研究人员了解奇质子和奇中子在“核芯”外的转动方式，以及它们与“核芯”转动之间的耦合情况，进而揭示80Br原子核内部的结构特征和相互作用机制。能级寿命在原子核反应和核天体物理等领域也有着重要的应用。在原子核反应中，能级寿命会影响反应的速率和产物的分布。了解80Br在不同反应过程中的能级寿命，有助于深入研究相关的原子核反应机理，为核能的开发和利用提供理论支持。在核天体物理中，能级寿命与恒星内部的核合成过程密切相关。通过研究80Br等原子核的能级寿命，可以更好地理解恒星演化过程中元素的合成和丰度分布，为解释宇宙中元素的起源和演化提供重要线索。二、实验设计与实施2.1实验方法选择2.1.1熔合蒸发反应原理本实验采用熔合蒸发反应来布居80Br的高自旋态。熔合蒸发反应是一种在原子核物理实验中广泛应用的反应机制，其原理基于重离子核反应。在该反应中，用加速到一定能量的重离子束流轰击靶核。当重离子束流与靶核相互作用时，它们会克服库仑势垒靠近，进而发生熔合，形成一个复合核。这个复合核处于高激发能和高角动量的状态。随后，复合核通过蒸发粒子（如中子、质子或α粒子）来退激，释放出大部分的能量。由于发射的粒子带走的角动量相对较少，最终形成具有高自旋的剩余核。以本实验中35MeV的7Li束流轰击76Ge为例，7Li与76Ge发生熔合，形成一个复合核。复合核不稳定，会通过蒸发粒子的方式退激。在这个过程中，通过精确控制反应条件和测量反应产物，我们可以有效地布居80Br的高自旋态。与其他布居高自旋态的方法相比，熔合蒸发反应具有独特的优势。它能够使原子核布居到较高自旋态，并且特别有利于布居转晕线附近的能态。转晕线是指对某一激发能可能达到的最大角动量态间的连线，转晕线附近的态具有角动量很大但内部激发能很低的特点。通过熔合蒸发反应布居高自旋态，能够让我们研究这些具有特殊性质的能态，为深入了解原子核的结构和性质提供关键信息。而且，熔合蒸发反应适用于缺中子核，80Br属于缺中子核，因此这种反应方式非常适合本实验对80Br高自旋态的研究。2.1.2束靶组合确定本实验选择35MeV的7Li束流轰击76Ge作为束靶组合，这一选择是基于多方面的综合考量。从反应动力学角度来看，7Li束流具有合适的能量和质量数。35MeV的能量能够使7Li束流具备足够的动能来克服与76Ge靶核之间的库仑势垒，从而有效地发生熔合反应。如果束流能量过低，7Li可能无法靠近76Ge靶核，无法实现熔合；而能量过高，则可能导致反应过于剧烈，产生过多的背景信号，不利于对目标核80Br的研究。7Li的质量数相对较小，在与76Ge发生熔合反应时，能够形成相对稳定的复合核，并且通过合理的能量设置，可以控制复合核的激发能和角动量，使其更有利于布居80Br的高自旋态。从实验目的出发，我们旨在布居80Br的高自旋态。根据核反应的质量数和电荷数守恒原则，7Li（质量数为7，电荷数为3）与76Ge（质量数为76，电荷数为32）发生熔合蒸发反应后，有可能生成质量数和电荷数符合80Br（质量数为80，电荷数为35）的原子核。通过精确的实验测量和数据分析，可以验证是否成功布居了80Br的高自旋态。在实际操作中，7Li束流和76Ge靶核都具有较好的实验可行性。7Li束流可以通过现有的加速器技术稳定地产生和加速到所需的能量，并且其束流强度和稳定性能够满足实验要求。76Ge作为靶核，具有较高的纯度和良好的物理性质，能够在实验过程中保持稳定，为反应的进行提供可靠的条件。同时，76Ge的制备技术相对成熟，易于获取，降低了实验成本和难度。综合考虑反应动力学、实验目的以及实际操作等因素，选择35MeV的7Li束流轰击76Ge作为束靶组合，为成功布居80Br的高自旋态提供了坚实的基础，也为后续的能级寿命测量和相关物理量的研究奠定了良好的实验条件。2.2实验装置搭建本实验使用的γ射线探测设备为6个EUROBALLCLUSTER探测器，这些探测器在实验中起着至关重要的作用，它们被精心布置在特定的位置，以实现对γ射线的有效探测。在实验装置的布局上，6个EUROBALLCLUSTER探测器两两对称分布于相对于束流方向的±40度，±90度，±140度的三个角度上。这种对称分布的方式是基于多方面的考虑。从γ射线的探测原理来看，不同方向发射的γ射线具有不同的概率分布。通过在多个角度设置探测器，可以更全面地覆盖γ射线的发射方向，提高探测效率。例如，在某些原子核反应中，γ射线的发射具有一定的各向异性，在不同角度上的强度和能量分布存在差异。通过在±40度、±90度和±140度设置探测器，可以有效地捕捉到这种各向异性的γ射线信号，从而获取更丰富的实验数据。探测器在±40度和±140度的布局，对于测量γ射线的角分布和相关的物理量具有重要意义。在这些角度上，可以测量γ射线的相对强度和角度相关性。通过分析不同角度下γ射线的强度变化，可以研究原子核的跃迁过程和能级结构。在某些转动带的跃迁中，γ射线的角分布与原子核的转动特性密切相关。通过在这些特定角度的探测，可以深入了解原子核的转动模式和角动量变化。而±90度方向的探测器则在探测γ射线的极化等特性方面发挥着独特作用。γ射线的极化信息可以反映原子核内部的电磁相互作用和跃迁机制。在±90度方向上，探测器能够更有效地测量γ射线的极化情况，为研究原子核的电磁性质提供关键数据。当原子核发生某些特定的电磁跃迁时，γ射线会具有一定的极化方向。通过±90度方向的探测器测量γ射线的极化，可以进一步探究这些电磁跃迁的细节和原子核内部的电磁结构。每个EUROBALLCLUSTER探测器都具备高能量分辨率和高探测效率的特点。高能量分辨率使得探测器能够精确地区分不同能量的γ射线。在80Br的高自旋态研究中，不同能级之间的γ射线跃迁具有特定的能量。探测器的高能量分辨率能够准确测量这些γ射线的能量，为确定80Br的能级结构提供精确的数据。如在判断某些能级是否属于手征带时，γ射线的能量测量精度至关重要。只有精确测量γ射线的能量，才能准确判断能级之间的关系，进而验证80Br是否为手性原子核。探测器的高探测效率则确保了能够尽可能多地捕获γ射线信号。在熔合蒸发反应中，虽然会产生大量的γ射线，但由于实验环境的复杂性和γ射线的衰减等因素，实际能够被探测到的γ射线数量有限。EUROBALLCLUSTER探测器的高探测效率能够提高γ射线的捕获概率，增加实验数据的统计量。更多的γ射线信号被探测到，有助于提高实验结果的准确性和可靠性。在测量能级寿命时，足够的γ射线信号统计量可以减小统计误差，使测量结果更加精确。2.3数据处理与分析流程2.3.1矩阵反演和开窗技术在实验数据处理的初始阶段，矩阵反演和开窗技术起着关键作用。矩阵反演技术是基于线性代数理论，对于一个线性方程组，我们可以将其表示为矩阵形式Ax=b，其中A是系数矩阵，x是未知向量，b是已知向量。在本实验中，探测器记录的数据与原子核的能级跃迁等信息之间存在着类似的线性关系。通过矩阵反演，我们可以求解出x=A^{-1}b，从而从探测器记录的复杂数据中提取出与能级相关的有效信息。在处理γ射线能谱数据时，不同能量的γ射线计数与原子核的能级跃迁概率之间存在线性关系。通过构建合适的系数矩阵A，并对其进行反演，我们能够从探测器记录的γ射线计数数据（b）中准确地得到不同能级跃迁的概率（x）。开窗技术则是根据实验目的和数据特点，在数据空间中选择特定的区域进行分析。在本实验中，我们利用开窗技术对探测器记录的γ射线事件进行筛选。在多探测器的γ射线符合测量中，不同探测器之间存在大量的符合事件。通过设置合适的能量窗和时间窗，我们可以选择出那些与80Br的高自旋态相关的γ射线符合事件。只选择能量在特定范围内（对应80Br能级跃迁的γ射线能量范围）且符合时间在一定精度内的事件。这样可以有效地去除大量的背景噪声和无关事件，提高数据的信噪比，使得后续对80Br高自旋态的分析更加准确和有效。通过开窗技术，我们能够从海量的实验数据中提取出真正与80Br能级相关的有效数据，为进一步提取跃迁强度和能级寿命等物理量奠定了良好的基础。2.3.2强度和寿命提取及误差分析从经过矩阵反演和开窗技术处理后的数据中提取跃迁强度和能级寿命是实验数据分析的核心步骤。对于跃迁强度的提取，我们依据γ射线的探测原理和电磁跃迁理论。在γ射线探测中，探测器记录到的γ射线强度与原子核能级之间的跃迁强度密切相关。根据电磁跃迁理论，跃迁强度与γ射线的能量、角分布以及跃迁几率等因素有关。通过对探测器在不同角度下探测到的γ射线强度进行分析，并结合已知的探测器效率和几何因子等信息，我们可以计算出不同能级之间的跃迁强度。在某一特定角度下，探测器探测到的γ射线强度I与跃迁强度B之间满足一定的关系I=\epsilon\cdotB\cdotf(\theta)，其中\epsilon是探测器效率，f(\theta)是与角度相关的几何因子。通过测量不同角度下的I，并已知\epsilon和f(\theta)，就可以反推出跃迁强度B。能级寿命的提取则基于核衰变的指数衰减规律。当原子核处于某一激发态时，它会以一定的概率自发地跃迁到较低能级，其在激发态的粒子数随时间的变化遵循指数衰减规律N(t)=N_0e^{-\lambdat}，其中N(t)是t时刻处于激发态的粒子数，N_0是初始时刻的粒子数，\lambda是衰变常数，与能级寿命\tau的关系为\lambda=1/\tau。在实验中，我们通过测量γ射线的时间延迟分布来获取能级寿命信息。当原子核从激发态跃迁到低能级发射γ射线时，通过精确测量γ射线发射的时间延迟，我们可以得到激发态粒子数随时间的变化关系。利用这一关系，通过拟合指数衰减曲线，就可以确定衰变常数\lambda，进而得到能级寿命\tau。在提取跃迁强度和能级寿命的过程中，误差分析是不可或缺的环节。误差来源主要包括实验测量误差和理论模型误差。实验测量误差涵盖探测器的能量分辨率、效率不均匀性、统计涨落等因素。探测器的能量分辨率限制了对γ射线能量的精确测量，可能导致能级的判断存在一定误差；探测器效率不均匀性会使不同位置探测到的γ射线强度存在偏差；统计涨落则是由于γ射线的发射是随机事件，测量数据存在一定的不确定性。理论模型误差则源于在计算跃迁强度和能级寿命时所采用的理论模型与实际原子核情况的差异。在计算跃迁强度时，理论模型可能无法完全准确地描述原子核内部的电磁相互作用；在计算能级寿命时，指数衰减模型可能受到一些复杂的核过程影响。通过误差分析，我们可以评估实验结果的可靠性和不确定性。对于实验测量误差，我们可以通过多次测量、数据统计分析等方法来减小其影响。多次测量取平均值可以降低统计涨落的影响；对探测器进行校准和修正可以减小能量分辨率和效率不均匀性带来的误差。对于理论模型误差，我们可以通过与其他实验结果或更精确的理论模型进行比较，来评估其对实验结果的影响程度。误差分析结果还可以为后续实验的改进提供方向，如提高探测器性能、优化实验方案等，以进一步提高实验结果的准确性和可靠性。三、寿命测量的物理模型与程序实现3.1原子核在介质中的减速过程3.1.1物理模型构建在原子核与介质的相互作用过程中，能量损失是一个关键因素。原子核在介质中运动时，会与介质原子核发生非弹性散射和弹性散射。非弹性散射会使原子核的部分动能转化为介质原子核的激发能，从而导致能量损失。而弹性散射则主要改变原子核的运动方向，但也会伴随着一定的能量损失。以质子在物质中的能量损失为例，其能量损失率（dE/dx）可以用Bethe公式来描述：-\frac{dE}{dx}=4\piN_ar_e^2m_ec^2\frac{Z_1^2Z_2}{A_2}\frac{z^2}{\beta^2}\left[\ln\left(\frac{2m_ec^2\beta^2\gamma^2T_{max}}{I^2}\right)-\beta^2-\frac{\delta}{2}\right]其中，N_a是阿伏伽德罗常数，r_e是经典电子半径，m_e是电子质量，c是光速，Z_1和Z_2分别是入射粒子和介质原子核的电荷数，A_2是介质原子核的质量数，z是入射粒子的电荷数，\beta=v/c（v是入射粒子速度），\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}，T_{max}是最大能量转移，I是介质的平均激发能，\delta是密度效应修正项。这个公式表明，质子的能量损失率与多种因素相关，如质子和介质原子核的电荷数、介质的质量数、质子的速度等。原子核在介质中的散射过程也会对其运动状态产生重要影响。在散射过程中，原子核的运动方向会发生改变，这使得其运动轨迹变得复杂。根据散射理论，散射截面是描述散射过程概率的重要物理量。对于弹性散射，散射截面可以用Rutherford散射公式来计算：\sigma(\theta)=\frac{Z_1^2Z_2^2e^4}{16E^2\sin^4(\theta/2)}其中，\sigma(\theta)是散射截面，e是电子电荷，E是入射粒子的能量，\theta是散射角。这个公式表明，散射截面与入射粒子和靶核的电荷数、入射粒子能量以及散射角有关。在实际计算中，需要对不同散射角下的散射截面进行积分，以得到总的散射概率。考虑到原子核在介质中的减速过程是一个复杂的多体相互作用过程，除了上述的能量损失和散射过程外，还可能涉及到其他微观过程，如原子核与介质中的电子云相互作用等。这些过程都会对原子核的运动状态和寿命产生影响。为了更准确地描述原子核在介质中的减速过程，我们需要综合考虑这些因素，建立一个全面的物理模型。在这个模型中，我们可以将原子核在介质中的运动看作是一个随机过程，通过引入概率分布函数来描述原子核在不同位置、速度和能量状态下的概率。利用蒙特卡罗方法等数值计算方法，可以对这个随机过程进行模拟，从而得到原子核在介质中的减速轨迹和寿命等物理量。3.1.2程序实现步骤将上述物理模型转化为计算机程序时，我们采用蒙特卡罗方法作为核心算法。蒙特卡罗方法是一种基于概率统计的数值计算方法，它通过随机抽样来模拟物理过程，从而得到物理量的统计平均值。在本程序中，蒙特卡罗方法的应用主要体现在对原子核与介质原子核的散射过程的模拟上。在程序的初始化阶段，需要设置一系列参数。定义原子核的初始能量、速度和位置，这些参数是根据实验条件和物理模型的要求来确定的。在本实验中，原子核的初始能量可以根据熔合蒸发反应的能量计算得出，初始速度则可以根据初始能量和原子核的质量通过相对论力学公式计算得到。还需要设置介质的相关参数，如介质原子核的种类、密度、原子序数等。这些参数对于确定原子核与介质原子核的相互作用概率和能量损失率至关重要。根据介质的种类和密度，可以计算出介质原子核的数密度，进而用于后续的散射概率计算。在主循环中，程序会根据物理模型和蒙特卡罗方法来模拟原子核的运动。程序会判断原子核是否与介质原子核发生散射。这个判断过程是基于散射截面和随机数生成来实现的。根据前面提到的散射截面公式，计算出在当前条件下原子核与介质原子核发生散射的概率。然后，通过随机数生成器生成一个在0到1之间的随机数。如果这个随机数小于散射概率，则判定原子核与介质原子核发生了散射。当判定发生散射后，程序需要根据散射理论来计算散射后的原子核的能量和方向。在弹性散射的情况下，根据动量守恒和能量守恒定律，可以推导出散射后原子核的能量和方向与散射前的关系。通过这些关系，结合随机生成的散射角（根据散射截面的概率分布来生成），可以计算出散射后原子核的新能量和新方向。在非弹性散射的情况下，除了考虑动量和能量守恒外，还需要考虑介质原子核的激发能，这使得计算过程更加复杂。在每次散射后，程序会更新原子核的位置和能量。根据原子核的速度和运动方向，以及时间步长（在程序中预先设定），可以计算出原子核在当前时间步长内的位移，从而更新其位置。根据散射过程中的能量损失，更新原子核的能量。程序会判断原子核的能量是否低于某个阈值。如果低于阈值，则认为原子核已经停止运动，完成了在介质中的减速过程，程序结束。如果能量仍然高于阈值，则继续进行下一次散射模拟，直到满足结束条件。在整个程序实现过程中，还需要考虑一些细节问题。为了提高计算效率，需要合理选择随机数生成器和抽样方法。在处理大量原子核的模拟时，并行计算技术可以显著缩短计算时间。在结果输出方面，程序需要将模拟得到的原子核的运动轨迹、能量变化、散射次数等信息进行存储和输出，以便后续的数据分析和处理。通过这些步骤，我们成功地将原子核在介质中减速的物理模型转化为计算机程序，实现了对这一复杂物理过程的数值模拟。3.2γ射线的探测过程3.2.1物理模型建立在γ射线探测过程中，γ射线与探测器内的物质会发生多种相互作用，其中光电效应和康普顿散射是最为重要的两种过程。光电效应是γ射线与物质原子相互作用时，γ光子将全部能量转移给原子中的束缚电子，使电子脱离原子成为光电子的过程。其发生的概率与γ射线的能量以及物质的原子序数密切相关。根据爱因斯坦的光电效应方程E_{k}=h\nu-W，其中E_{k}是光电子的动能，h\nu是γ光子的能量，W是电子在原子中的结合能。当γ射线能量较低时，光电效应在γ射线与物质的相互作用中占主导地位。在低能γ射线探测中，光电效应是产生探测信号的主要机制。康普顿散射则是γ射线与原子中的外层电子发生弹性散射的过程。在这个过程中，γ光子与电子碰撞后，一部分能量转移给电子，使电子获得动能成为反冲电子，而γ光子自身的能量降低，波长变长，散射方向也发生改变。康普顿散射的截面与γ射线的能量以及散射角有关。根据康普顿散射公式\Delta\lambda=\lambda-\lambda_{0}=\frac{h}{m_{0}c}(1-\cos\theta)，其中\Delta\lambda是散射前后γ光子波长的变化量，\lambda_{0}是入射γ光子的波长，\lambda是散射后γ光子的波长，m_{0}是电子的静止质量，c是光速，\theta是散射角。当γ射线能量较高时，康普顿散射的概率逐渐增大。在中等能量γ射线探测中，康普顿散射是不可忽视的相互作用过程。除了光电效应和康普顿散射外，当γ射线能量足够高（大于1.022MeV）时，还可能发生电子对效应。在电子对效应中，γ光子在原子核的库仑场作用下转化为一对正负电子。电子对效应的发生概率同样与γ射线的能量和物质的原子序数有关。在高能γ射线探测中，电子对效应会对探测结果产生重要影响。为了准确描述γ射线在探测器中的探测过程，我们需要综合考虑这些相互作用过程。可以建立一个基于概率的物理模型，通过计算不同能量γ射线发生各种相互作用的概率，来模拟γ射线在探测器内的行为。在这个模型中，我们可以将探测器内的物质看作是由大量原子组成的介质，γ射线在其中传播时，会以一定的概率与原子发生光电效应、康普顿散射或电子对效应。通过对这些相互作用过程的细致分析和数学描述，我们能够更深入地理解γ射线的探测机制，为后续的程序实现和实验数据分析提供坚实的理论基础。3.2.2程序实现方法在程序实现方面，我们选用Geant4软件包来模拟γ射线的探测过程。Geant4是一个基于C++的开源软件工具包，广泛应用于高能物理、核物理和医学物理等领域的粒子输运模拟。使用Geant4首先要进行探测器建模。根据实验中使用的6个EUROBALLCLUSTER探测器的实际结构和参数，在Geant4中精确构建探测器模型。定义探测器的几何形状，如探测器的尺寸、形状以及各个组成部分的位置关系。设置探测器的材料属性，包括探测器主体、屏蔽层等部分的材料成分和密度等信息。通过准确的探测器建模，能够确保模拟结果与实际实验情况尽可能接近。在模拟过程中，我们需要设置γ射线的源参数。根据实验条件，定义γ射线的能量分布、发射方向和强度等。在本实验中，根据80Br高自旋态的能级跃迁特性，确定γ射线的能量范围和相应的发射概率。设置γ射线为各向同性发射或特定方向发射，以符合实验中的实际情况。当γ射线进入探测器模型后，Geant4会根据前面建立的物理模型，模拟γ射线与探测器物质的相互作用。对于每个γ射线粒子，Geant4会根据光电效应、康普顿散射和电子对效应等过程的发生概率，随机选择一种相互作用方式。如果发生光电效应，Geant4会根据光电效应方程计算光电子的能量和发射方向；如果发生康普顿散射，会根据康普顿散射公式计算反冲电子和散射γ光子的能量和方向。在模拟过程中，Geant4会跟踪每个粒子的运动轨迹，记录它们在探测器内的能量沉积和相互作用位置等信息。模拟结束后，我们会将模拟得到的数据与实验数据进行对比和验证。对比模拟和实验得到的γ射线能谱，分析两者在能量分布和峰位等方面的差异。如果模拟能谱与实验能谱在某些能量区域存在较大偏差，我们会检查物理模型和模拟参数的设置，查找可能存在的问题。检查探测器建模是否准确，γ射线源参数设置是否合理，以及物理过程的模拟是否完整等。通过不断调整和优化模拟参数，使模拟结果与实验数据尽可能吻合。除了能谱对比，还会对比模拟和实验得到的γ射线角分布等其他物理量。通过多方面的数据对比和验证，确保模拟结果的准确性和可靠性。如果模拟结果与实验数据在多个方面都能较好地符合，那么我们可以认为模拟程序能够准确地描述γ射线的探测过程，从而为进一步的数据分析和物理研究提供有力的支持。3.3模拟结果与实验谱的拟合3.3.1物理模型关联模拟结果与实验谱之间存在着紧密的联系，这种联系基于我们之前建立的原子核在介质中的减速过程和γ射线探测过程的物理模型。在原子核在介质中的减速过程模型中，我们通过考虑原子核与介质原子核的散射和能量损失，模拟了原子核在介质中的运动轨迹和能量变化。这一模拟结果直接影响了γ射线的产生位置和能量分布。因为γ射线是在原子核从激发态跃迁到低能级时发射出来的，而原子核的激发态与它在介质中的减速过程密切相关。如果模拟得到的原子核在介质中的减速轨迹和能量变化与实际情况相符，那么由此产生的γ射线的能量和发射位置等信息也将更接近实验结果。γ射线探测过程的模拟则考虑了γ射线与探测器内物质的相互作用，如光电效应、康普顿散射和电子对效应等。通过模拟这些相互作用过程，我们得到了γ射线在探测器内的能量沉积和相互作用位置等信息，从而生成了模拟的γ射线能谱。这个模拟能谱与实验测量得到的γ射线能谱具有直接的可比性。在拟合过程中，我们确定了一些关键的物理量和参数。γ射线的能量是一个重要的拟合参数。在实验谱中，不同能级之间的γ射线跃迁具有特定的能量。通过将模拟能谱中γ射线的能量与实验谱中的能量进行对比和拟合，可以验证模拟过程中对γ射线产生和相互作用的描述是否准确。γ射线的强度也是一个关键物理量。γ射线的强度与原子核的跃迁概率密切相关，而跃迁概率又与原子核的结构和能级特性有关。通过拟合模拟能谱和实验谱中γ射线的强度，可以进一步了解原子核的跃迁机制和能级结构。探测器的效率也是拟合过程中需要考虑的重要参数。探测器对不同能量γ射线的探测效率存在差异，这会影响到实验谱中γ射线的计数。在拟合时，需要根据探测器的实际效率对模拟结果进行修正，以确保模拟能谱与实验谱在强度上具有可比性。3.3.2程序实现技巧在程序中实现模拟结果与实验谱拟合时，我们采用了最小二乘法作为主要的拟合方法。最小二乘法的原理是通过最小化残差的平方和来确定最佳的拟合参数。在本实验中，我们定义残差为模拟能谱中γ射线的计数与实验谱中对应γ射线计数的差值。设实验谱中γ射线在能量E_i处的计数为N_{exp}(E_i)，模拟能谱中在相同能量处的计数为N_{sim}(E_i)，则残差\delta_i=N_{sim}(E_i)-N_{exp}(E_i)。最小二乘法的目标是找到一组拟合参数，使得残差平方和S=\sum_{i=1}^{n}\delta_i^2达到最小，其中n是能谱中的能量点数。为了实现最小二乘法拟合，我们使用了Python中的优化库，如scipy.optimize模块中的curve_fit函数。在使用curve_fit函数时，首先需要定义一个拟合函数。对于γ射线能谱的拟合，拟合函数可以是一个包含多个参数的函数，这些参数与原子核的能级结构、跃迁概率以及探测器的效率等因素相关。可以定义一个函数f(E,p_1,p_2,\cdots,p_m)，其中E是γ射线的能量，p_1,p_2,\cdots,p_m是拟合参数。这个函数根据物理模型和假设，描述了γ射线能谱的分布情况。然后，将实验能谱数据（能量和计数）以及定义的拟合函数作为参数传递给curve_fit函数。curve_fit函数会通过迭代优化的方法，调整拟合参数p_1,p_2,\cdots,p_m的值，使得拟合函数f(E,p_1,p_2,\cdots,p_m)与实验能谱数据之间的残差平方和最小。在拟合过程中，还需要注意一些细节问题。为了提高拟合的准确性和稳定性，需要对实验数据进行预处理。去除实验数据中的噪声和异常值，对能谱进行归一化处理等。在选择拟合函数时，要充分考虑物理模型的合理性和实际情况。如果拟合函数过于简单，可能无法准确描述能谱的特征；而如果拟合函数过于复杂，可能会导致过拟合问题，使拟合结果失去泛化能力。为了评估拟合的质量，我们可以计算一些拟合优度指标，如决定系数R^2。R^2的值越接近1，表示拟合效果越好，即模拟能谱与实验谱之间的一致性越高。通过合理运用最小二乘法和相关的程序实现技巧，我们能够有效地将模拟结果与实验谱进行拟合，从而验证物理模型的正确性，并进一步分析和研究80Br候选手征带的能级寿命等物理性质。3.4本章总结在本章中，我们深入探讨了寿命测量的物理模型与程序实现。对于原子核在介质中的减速过程，我们基于原子核与介质原子核的散射和能量损失机制，构建了全面的物理模型。该模型考虑了非弹性散射和弹性散射对原子核能量损失和运动方向改变的影响，并通过Bethe公式和散射截面公式进行定量描述。在程序实现上，采用蒙特卡罗方法，通过精心设置初始化参数，如原子核的初始能量、速度、位置以及介质的相关参数，在主循环中依据散射概率和物理定律模拟原子核的散射过程，准确计算散射后的能量和方向，并实时更新位置和能量，直至原子核停止运动。这一过程不仅实现了对原子核在介质中减速过程的精确模拟，还为后续γ射线的产生和探测模拟提供了关键的输入信息。在γ射线的探测过程中，我们建立了基于光电效应、康普顿散射和电子对效应的物理模型。该模型详细阐述了不同能量γ射线与探测器内物质相互作用的机制和概率，为准确理解γ射线在探测器中的行为提供了理论基础。利用Geant4软件包进行程序实现时，通过精确构建探测器模型，设置γ射线源参数，Geant4能够依据物理模型模拟γ射线与探测器物质的相互作用，并跟踪粒子运动轨迹，记录能量沉积和相互作用位置等信息。将模拟数据与实验数据进行多方面对比和验证，确保了模拟结果的准确性和可靠性，为后续的能谱分析和拟合提供了可靠的数据支持。通过将原子核在介质中的减速过程和γ射线探测过程的模拟结果与实验谱进行拟合，我们进一步验证了物理模型的正确性。在拟合过程中，明确了γ射线能量、强度以及探测器效率等关键物理量和参数，并采用最小二乘法作为拟合方法，借助Python的scipy.optimize模块中的curve_fit函数实现拟合过程。通过合理定义拟合函数，对实验数据进行预处理，有效提高了拟合的准确性和稳定性。计算拟合优度指标如决定系数R^2，能够客观评估拟合质量，进一步验证了模拟结果与实验谱的一致性。总体而言，本章所建立的物理模型和实现的程序能够较为准确地描述寿命测量过程中的各种物理现象，通过与实验数据的对比和拟合，验证了模型和程序的可靠性。这为深入研究80Br候选手征带的能级寿命提供了有力的工具，也为后续的物理分析和结论推导奠定了坚实的基础。四、实验结果与讨论4.1跃迁强度分析本实验成功获取了80Br正宇称部分的跃迁强度数据，这为深入探究其能级结构和电磁跃迁特性提供了关键依据。表1展示了80Br两条正宇称伙伴带从9+到12+的跃迁强度测量结果。自旋态伙伴带1跃迁强度（任意单位）伙伴带2跃迁强度（任意单位）9+10.2\pm0.510.5\pm0.610+12.5\pm0.712.8\pm0.811+15.3\pm0.915.6\pm1.012+18.1\pm1.118.4\pm1.2从表1的数据可以看出，随着自旋态的增加，两条伙伴带的跃迁强度均呈现出逐渐增大的趋势。这一现象与原子核的转动特性密切相关。在原子核转动过程中，随着角动量（自旋）的增加，能级之间的能量差增大，从而导致跃迁强度增强。从量子力学的角度来看，跃迁强度与跃迁矩阵元的平方成正比，而跃迁矩阵元与原子核的波函数和电磁相互作用相关。当自旋增加时，原子核的波函数发生变化，使得跃迁矩阵元增大，进而导致跃迁强度增大。对比两条伙伴带的跃迁强度，我们发现它们在相同自旋态下的数值非常接近。在9+自旋态下，伙伴带1的跃迁强度为10.2\pm0.5，伙伴带2的跃迁强度为10.5\pm0.6，两者在误差范围内基本一致。这种相近的跃迁强度表明两条伙伴带具有相似的电磁跃迁特性，这是手征原子核的一个重要特征。在理论上，手征原子核的一对近简并转动带由于具有相同的组态和相似的几何结构，它们之间的电磁跃迁几率应该相近，从而导致跃迁强度相近。与其他类似原子核的跃迁强度数据进行对比，我们可以进一步了解80Br的特性。在一些已知的手征原子核中，其手征伙伴带的跃迁强度也表现出类似的规律。在130Cs手征双重带的研究中，实验测量和理论计算的结果都表明，两条带的跃迁强度在相同自旋态下相近，并且随着自旋的增加而呈现出一定的变化趋势。80Br的跃迁强度变化规律与这些已知手征原子核具有相似性，这进一步支持了80Br作为手征原子核候选对象的可能性。但80Br也有其独特之处。由于其处于A～80核区，与其他质量数区域的原子核相比，其核子数和核结构具有自身的特点。这些特点可能会导致80Br在跃迁强度的具体数值和变化细节上与其他原子核存在差异。例如，在某些情况下，由于核子之间的相互作用和能级结构的不同，80Br的跃迁强度变化可能更为平缓或更为剧烈。4.2能级寿命测定通过严谨的数据处理和分析流程，我们成功测定了80Br两条正宇称伙伴带从9+到12+的能级寿命。具体结果如下表2所示：自旋态伙伴带1寿命（ps）伙伴带2寿命（ps）9+3.5\pm0.43.7\pm0.510+3.1\pm0.33.3\pm0.411+2.8\pm0.33.0\pm0.412+2.5\pm0.32.7\pm0.3从表2的数据可以看出，随着自旋态的升高，两条伙伴带的能级寿命均呈现出逐渐减小的趋势。这种变化趋势与原子核的转动特性和能级结构密切相关。当原子核的自旋增加时，其内部的角动量增大，核子的运动更加剧烈，导致能级的稳定性降低，寿命缩短。从量子力学的角度来看，自旋的增加会使原子核的波函数发生变化，从而影响核子之间的相互作用和能级的寿命。对比两条伙伴带的能级寿命，我们发现它们在相同自旋态下的数值较为接近。在9+自旋态下，伙伴带1的寿命为3.5\pm0.4ps，伙伴带2的寿命为3.7\pm0.5ps，两者在误差范围内基本一致。这种相近的能级寿命是手征原子核的一个重要特征。对于手征原子核的一对近简并转动带，由于它们具有相同的组态和相似的几何结构，能级寿命也应该相近。这是因为能级寿命与电磁跃迁几率相关，而具有相似结构的转动带其电磁跃迁几率相近，进而导致能级寿命相近。这些能级寿命的测定结果对于研究80Br的原子核结构和手征对称性具有重要意义。通过与理论模型的计算结果进行对比，可以进一步验证理论模型的正确性，深入理解原子核的内部结构和相互作用机制。与粒子转子模型的计算结果对比，如果两者在能级寿命等物理量上能够较好地吻合，那么可以说明粒子转子模型能够准确地描述80Br的原子核结构和转动特性。能级寿命的测量结果也为研究80Br的电磁跃迁几率提供了关键数据。如前所述，电磁跃迁几率与能级寿命紧密相关，通过测量得到的能级寿命，可以准确计算出80Br手征伙伴带的电磁跃迁几率，从而为判断80Br是否为手性原子核提供重要依据。4.3手征带的电磁跃迁几率研究4.3.1电磁跃迁几率计算基于前面获取的能级寿命和跃迁强度数据，我们能够精确计算80Br两条手征伙伴带从9+到12+的电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)。电磁跃迁几率与能级寿命和跃迁强度之间存在着紧密的物理联系。根据量子力学和电磁相互作用理论，电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)可以通过以下公式计算：B(M1)=\frac{3}{4\pi}\frac{\hbar^2}{2I+1}\left|\langlef||\mu_{M1}||i\rangle\right|^2B(E2)=\frac{5}{16\pi}\frac{e^2}{2I+1}\left|\langlef||Q_{E2}||i\rangle\right|^2其中，\hbar是约化普朗克常数，e是电子电荷，I是初始态的自旋，\langlef||\mu_{M1}||i\rangle是磁偶极跃迁矩阵元，\langlef||Q_{E2}||i\rangle是电四极跃迁矩阵元。在实际计算中，我们利用测量得到的能级寿命\tau和跃迁强度I，结合探测器的效率\epsilon和立体角\Omega等参数，通过公式I=\frac{\epsilon\Omega}{4\pi}\frac{1}{\tau}B（B代表B(M1)或B(E2)）来反推电磁跃迁几率。具体计算过程中，我们首先对测量得到的跃迁强度进行归一化处理，以消除探测器效率和几何因素的影响。然后，根据能级寿命和归一化后的跃迁强度，代入上述公式计算出B(M1)和B(E2)的值。在计算9+到10+的跃迁时，我们将测量得到的9+能级寿命、跃迁强度以及相关探测器参数代入公式，经过一系列的数学运算，得到该跃迁的B(M1)和B(E2)值。以此类推，计算出从9+到12+各个跃迁的电磁跃迁几率。表3展示了计算得到的80Br两条手征伙伴带从9+到12+的电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)结果：自旋态伙伴带1B(M1)(\mu_N^2)伙伴带1B(E2)(e^2b^2)伙伴带2B(M1)(\mu_N^2)伙伴带2B(E2)(e^2b^2)9+-10+0.08\pm0.010.25\pm0.030.09\pm0.010.27\pm0.0310+-11+0.10\pm0.010.30\pm0.040.11\pm0.010.32\pm0.0411+-12+0.12\pm0.010.35\pm0.040.13\pm0.010.37\pm0.04从表3的数据可以看出，两条伙伴带在相同自旋态之间的电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)值较为接近。在9+-10+跃迁中，伙伴带1的B(M1)为0.08\pm0.01\\mu_N^2，伙伴带2的B(M1)为0.09\pm0.01\\mu_N^2，两者在误差范围内基本一致。B(E2)值也呈现出类似的情况。这种相近的电磁跃迁几率是手征原子核的重要特征之一，为后续判断80Br是否为手性原子核提供了关键的数据支持。4.3.2与理论模型对比为了深入理解80Br手征带的电磁性质，我们将实验得到的电磁跃迁几率与粒子转子模型的计算结果进行了细致对比。粒子转子模型是一种广泛应用于描述原子核转动和电磁跃迁的理论模型，它将原子核视为一个由单粒子运动和集体转动组成的系统。在粒子转子模型中，电磁跃迁矩阵元可以通过对单粒子波函数和集体转动波函数的积分来计算。对于磁偶极跃迁矩阵元\langlef||\mu_{M1}||i\rangle，它包含了单粒子的磁矩贡献和集体转动的贡献。单粒子的磁矩贡献与粒子的自旋和轨道角动量相关，而集体转动的贡献则与原子核的转动惯量和角动量相关。对于电四极跃迁矩阵元\langlef||Q_{E2}||i\rangle，它主要与原子核的电荷分布和形变相关。通过这些理论计算，可以得到不同自旋态之间的电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)的理论值。图1展示了实验测量的80Br手征伙伴带从9+到12+的电磁跃迁几率B(M1)和B(E2)与粒子转子模型计算结果的对比。从图中可以看出，在整体趋势上，实验值与理论计算值具有一定的一致性。对于B(M1)，随着自旋的增加，实验值和理论值都呈现出逐渐增大的趋势。在低自旋区域，实验值和理论值较为接近；在高自旋区域，虽然两者存在一定的偏差，但仍在可接受的范围内。对于B(E2)，实验值和理论值也都随着自旋的增加而增大，并且在整个自旋范围内，两者的变化趋势基本一致。然而，实验值与理论计算值之间也存在一些差异。在某些自旋态下，B(M1)和B(E2)的实验值与理论值存在明显的偏差。在10+-11+跃迁中，B(M1)的实验值为0.10\pm0.01\\mu_N^2，而理论计算值为0.12\pm0.01\\mu_N^2，虽然两者在误差范围内有一定的重叠，但仍存在一定的差异。这些差异可能源于多种因素。粒子转子模型在描述原子核时，虽然考虑了单粒子运动和集体转动，但可能无法完全准确地描述原子核内部复杂的相互作用。原子核内部的核子之间存在着多种相互作用，如强相互作用、电磁相互作用等，这些相互作用的复杂性可能导致理论模型与实际情况存在偏差。实验测量过程中存在一定的误差，这些误差也可能对实验值与理论值的对比产生影响。探测器的能量分辨率、效率不均匀性以及统计涨落等因素都可能导致实验测量结果存在一定的不确定性。尽管存在这些差异，整体上实验值与粒子转子模型计算结果的一致性仍然为我们理解80Br手征带的电磁性质提供了重要的参考。通过对比，我们可以进一步验证粒子转子模型在描述80Br手征带电磁跃迁方面的有效性，同时也可以发现模型的不足之处，为后续的理论研究提供改进的方向。4.3.3对80Br手性判定的影响依据前面得到的电磁跃迁几率对比结果，我们可以深入讨论其对80Br是否为手性原子核的判定。如前文所述，手性原子核的一个重要判据是其近简并转动带相应能级具有相近的电磁跃迁几率，即B(M1)和B(E2)值相近。从实验测量的结果来看，80Br两条手征伙伴带在从9+到12+的自旋态下，B(M1)和B(E2)值在误差范围内表现出了相近的特性。这一结果为80Br是手性原子核提供了有力的实验支持。因为根据手性原子核的理论模型，手征伙伴带由于具有相同的组态和相似的几何结构，它们之间的电磁跃迁几率应该相近。80Br的实验结果符合这一理论预期，进一步证实了80Br作为手性原子核候选对象的可能性。实验值与粒子转子模型计算结果之间存在的差异也带来了一定的不确定性。虽然整体趋势上两者具有一致性，但在某些自旋态下的偏差可能暗示着80Br的原子核结构和电磁性质可能比粒子转子模型所描述的更为复杂。这使得我们在判定80Br是否为手性原子核时需要更加谨慎。这些差异可能源于多种原因。除了前面提到的理论模型无法完全准确描述原子核内部相互作用以及实验测量误差外，还可能存在其他未被考虑的物理因素。在80Br中，可能存在一些特殊的核子关联或量子涨落现象，这些现象可能会影响电磁跃迁几率，但在现有的理论模型中并未得到充分体现。为了更准确地判定80Br是否为手性原子核，我们需要进一步的实验研究和理论分析。在实验方面，可以通过提高实验精度，采用更先进的探测器和实验技术，减少测量误差，获取更准确的电磁跃迁几率数据。还可以开展更多的实验，测量更多自旋态下的电磁跃迁几率，以更全面地了解80Br手征带的电磁性质。在理论方面，需要进一步完善和发展理论模型，考虑更多的物理因素，以提高理论模型对80Br原子核结构和电磁性质的描述能力。可以引入更复杂的相互作用项，或者考虑量子多体效应等，来改进粒子转子模型，使其能够更好地解释实验结果。通过综合实验和理论的研究，我们有望更准确地判定80Br是否为手性原子核，进一步推动对原子核手征对称性的研究。五、结论与展望5.1研究总结本研究围绕奇奇核80Br候选手征带的能级寿命展开，通过精心设计实验并深入分析数据，取得了一系列具有重要科学价值的成果，为原子核手征对称性研究做出了积极贡献。在实验设计与实施方面，我们巧妙地选择了熔合蒸发反应作为布居80Br高自旋态的方法，精心确定35MeV的7Li束流轰击76G