核物理中的一个长期难题围绕着一个奇怪的问题：为什么一些原子核释放的低能伽马射线比科学家预期的要多得多？由稀有同位素束流设施（FRIB）领导的一项新研究，联合劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员，可能会提供答案。这项研究发表在《自然》杂志上，发现为原子核的结构提供了新的见解，并可能对天体物理学、核能、国家安全和核法医学产生重要影响。伽马射线是一种电磁辐射形式，就像可见光和无线电波一样。它们在激发的原子核失去能量并在放射性衰变过程中进入更低的、更稳定的状态时释放。一个长期的伽马射线之谜几十年来，科学家们发现，一些原子核发出的低能伽马射线数量出人意料的多。这种现象被称为“低能增强”，难以解释。它并不出现在每个原子核中，研究人员也无法可靠地预测它会在哪里出现。“这种低能增强现象并未通过理论预测，因此当首次观察到时，整个社区都感到震惊，”研究的主要作者、前FRIB研究生Eleanor Ronning表示。“很难预测[低能增强]发生的地方——我们不知道哪个原子核会表现出这一现象。”新的结果提供了强有力的证据，表明核内的磁过渡是造成这一效应的原因。“这是向前迈出的重要一步，”研究的共同负责人，前LLNL博士后研究员、现任俄亥俄大学助理教授Andrea Richard表示。“我们现在有了一种一致的解释，将实验观察与理论连接起来。”电核衰变与磁核衰变的分离为了调查这一谜团，研究人员测量了在放射性铜同位素衰变为锌的过程中产生的伽马射线。FRIB的专业仪器和能力使得团队能够分离出两个不同的衰变状态，并对其进行单独检查。在一种状态中，衰变涉及电过渡。随着铜的转变，核内的质子位置发生了变化。第二种状态则涉及磁过渡。在这种情况下，核内的中子和质子基本上翻转了它们的内部磁场。只有磁过渡产生了伽马射线的低能增强。这个结果表明，这一现象本质上是磁性的。Ronning和Richard共同提出了实验方案。除了Richard作为博士后研究员的工作，其他LLNL科学家也贡献了他们的专业知识，并在为期一周、24小时不间断的实验期间持续监测实验。对核科学与安全的影响虽然这项研究仅集中于一种原子核，但研究人员表示，发现可能改善更广泛元素和反应的核模型。“我们可以基于这些发现改善我们对库存性能的知识以及对过去测试项目结果的解释，”作者、LLNL科学家Darren Bleuel表示。“此外，我们可以改进核法医学——我们确定核事件是否发生以及识别最可能来源的能力。”这些发现还可能帮助科学家更好地模拟恒星、超新星和中子星合并中的核反应——包括负责生成重元素的反应——同时提高对与核能相关的过程的理解。