放射性束物理实验发展现状

李阔昂 叶沿林

（北京大学物理学院 核物理与核技术国家重点实验室 北京 100871）

放射性束物理实验发展现状

李阔昂 叶沿林

（北京大学物理学院 核物理与核技术国家重点实验室 北京 100871）

近年来随着放射性束流装置的发展，对非稳定核的研究取得了一系列的重大进展。重要的物理发现包括滴线区的晕核与增强的集团结构、非稳定核中的壳演化与新幻数、新的有效相互作用、新的集体运动模式、核反应中的多步过程与强耦合效应等。本文着重从实验探测的角度，对非稳定核基态基本物理量的测量、非稳定核的衰变测量、中低能核反应、快速束流及零度谱学等方面做了概述和分析，特别指出他们在非稳定核研究中作用和新发展。

非稳定核，核结构，核反应，核探测

自从1985年第一个晕核11Li[1]被发现以来，放射性核束物理取得了长足的进展，这大大扩展了人们对于核物理的认识。近年来世界各地建立了一系列放射性束流装置：例如美国国家超导回旋加速器实验室(National Superconducting Cyclotron Laboratory, NSCL)的A1200和A1900、日本理化学研究所(RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research, RIKEN)的RIPS (RIKEN Projectile fragment Separator)和BigRIPS、德国亥姆霍兹重离子研究中心(Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI)的FRS、我国兰州重离子加速器国家实验室(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)的中能放射性束流线(Radioactive ion beam line in Lanzhou, RIBLL)和北京串列加速器上的GIRAFFE等。利用这些束流装置，如今对于核物理的研究已经扩展到了比较远离β稳定线和比较重的原子核。在这一区域已经观测到了一系列奇特的物理现象，促进了理论和实验技术的发展。

由于非稳定原子核弱束缚的特性， 一些新的结构自由度在此区域显现出来，例如晕结构以及集团结构。目前11Li、6He、11Be、14Be和19C已被实验认定为中子晕核，在丰质子区域8B基本被认定为质子晕核。近期的实验观测又发现了一些原子核可能为中子晕核：如24O[2]、22C[3]和31Ne[4]等。在集团结构方面，对于稳定核激发态的集团结构研究有着很长的历史，如12C的3α-Hoyle态[5]，它在核天体物理中原子核的合成过程中起着重要的作用。对轻核和中重核区的理论计算表明，随着中子数的增加，在非稳定核中集团（或分子态）结构有增强的趋势，这主要是由于价核子相对于核芯集团的多样性轨道组合造成的。对12Be的实验观测对此提供佐证[6]。

在非稳定核区的壳演化也是放射性束物理中发现的一个重要的新现象。在丰中子核区，一些传统的幻数(如N=8、20、28)消失并伴随着新的幻数(如N=16、32)的产生。对壳演化的理论解释，有形变效应、张量力、三体力的作用等。研究表明，在引入新的核子间有效相互力作用后，壳模型中单粒子能级会随着中子数的增加发生变化，从而使得壳间距发生改变，幻数的位置也就发生了变化[7]。例如在传统中子幻数N=20的丰中子核区出现由一系列原子核组成的“反转岛”[8]。

在非稳定区，新的集体激发模式也被发现和应用。典型的如原子核的软（矮）巨共振[9]，也就是晕核的价中子相对于核芯的振动。自1988年发现以来，它一直是识别晕核的一个重要的观测量。同时，软巨共振也在同位旋相关的核状态方程研究中发挥重要作用。

描述原子核基态基本性质的物理量质量、自旋、电荷、磁矩等，一方面体现了原子核对外的表现形态，另一方面也体现了内部结构的信息。相关的测量在稳定核区已经非常广泛，但将其扩展到非稳定核区有一些特殊的困难。近年来一些新的实验技术和方法的引入，使得对短寿命原子核基本物理量的测量取得长足进步，并且还在继续蓬勃发展。

对原子核的衰变以及反应的测量是揭示原子核结构和相互作用性质的必要手段。在非稳定核区，由于核子的分离能较低（相对附近原子核的衰变能较高），一些奇异的衰变模式可以在实验中被观测到。如：β延迟粒子发射[10]、双质子衰变[11]、同核异能态[12]等。在核反应方面，诸如非弹性散射、转移反应、敲除反应等也被大量地应用于放射性束物理的研究。由于非稳定原子核弱束缚的特性，核反应过程往往混杂了多步过程以及与连续态（破裂过程）的耦合，这使得实验观测量并不直接反映核结构信息，而是与反应机制交织在一起。这就要求在原子核反应理论方面进行更加深入的研究，反应和结构研究密切结合，从而能够从实验中有效提取核结构的信息。

放射性束的分离装置目前已发展到第三代，以采用大接受度的超导磁铁为特征，目前典型的代表是日本理化所的BigRIPS。在束流装置建设推进的同时，一些新的实验方法和实验技术也被应用于放射性物理的研究，使得核反应的探测效率提高了3-5个数量级，弥补了束流强度的不足，比如目前已经可以在每秒几十个粒子入射的条件下开展谱学研究。典型的如：一些新的装置使得对短寿命核基本性质的测量成为可能；零度磁谱仪可以测量小角度事件并从中获得重要的谱学信息；覆盖大立体角的γ探测阵列和硅微条探测器阵列等。近年来新发展的结合反应靶与探测器于一体的“传感器靶”，使得在低能核反应中可进行有效的粒子识别和精确测量，这对核天体和核集团结构研究很重要。

本文从实验观测和实验方法的角度，概括放射性核束物理的发展，并对一些研究的热点进行分析以及展望。

1 非稳定核基态基本物理量的测量

在发现新的核素时，大部分的实验都是针对稳定原子核，此类的测量用于短寿命的放射性核，在实验上是很大的挑战。

原子核质量直接反映了原子核内核子的结合能，而相邻原子核的相互质量关系则反映了最后一个或多个核子的分离能。例如N=20这一传统幻数在丰中子区域的消失最早就是由对31Na的质量测量启发的[13]。如今高精度的质量测量可以作为一些质量方程的验证，如同位旋多重态质量方程(Isobaric multiple mass equation, IMME)，它揭示了在质子与中子在核子-核子相互作用中的差异[14]。此外，高精度的质量数据对核天体物理中核合成路径的计算也至关重要。近些年来利用潘宁阱(Penning trap)装置得到了一系列高精度的质量数据[15-16]，大部分测量主要集中在轻核区。目前在中重核区，特别是远离稳定线原子核质量的高精度测量可以利用重离子冷却储存环实现[17]。在中国科学院近代物理研究所的冷储存环上，得到了从41Ti到53Ni 一系列同位旋多重态的质量数据[18]，从中发现在fp壳原子核上，IMME公式出现了偏差，需要新的理论和实验工作来解释这一反常现象。

对原子核自旋和磁矩的测量直接地反映了原子核的壳结构，这为研究非稳定核区的壳演化提供了重要的依据。此类的测量一般是利用原子的超精细结构或核磁共振的塞曼分裂。对于稳定原子核此类技术已经很成熟。但对于非稳定核，由于其短寿命的特性，实验上还有很多难点。目前一些针对非稳定核自旋和磁矩测量的技术正逐步地走向实用，例如共线激光谱学(Collinear laser spectroscopy)[19]、共振离子谱学(Resonance ionization spectroscopy)[20]、β衰变核磁共振(NMR with β-asymmetry detection)[21]以及基于离子阱的射频-光学双共振方法(RF-optical double resonance in an ion trap)[22]等。它们当中一些技术仍在研发测试之中，但我们可预期在不远的将来可以从中获得一系列丰硕的成果。

2 非稳定核的衰变测量

β衰变是非稳定核衰变中最常见的一种模式，是将衰变核阻停在探测介质内进行衰变测量，观测量包括比较半衰期(ft)、衰变能等，可从中提供母核以及子核结构等信息。β衰变也是布居子核激发态的有效手段。测量与β级联的γ光子，可以提供子核激发态的信息。在远离β稳定线区域，由于原子核弱束缚的特性导致核子费米面升高，这使得衰变后的子核也可能处于很高的激发能，甚至高于粒子发射阈，从而可以观测到β缓发核子，如丰中子区的β缓发中子以及丰质子区的β缓发质子发射。再丰质子区，配合高效率的带电粒子探测器，β衰变及其缓发粒子测量可以在很低束流强度下得到非稳定核基态和激发态的多种信息。但对于丰中子区域，由于中子探测在技术上的困难，使得高效率的测量β缓发中子成为一种很大的挑战。近年来随着一些大立体角覆盖，高探测效率的中子探测阵列的发展，已经获得了一系列β缓发中子的实验数据。例如对氮同位素链等的β缓发中子的测量[10,23-27]，从中可以得出很多丰中子区原子核结构的系统学数据。

除了传统的β衰变，在靠近滴线时，由于核子束缚的减弱，一些新的核子自由度开始出现，此时还可以观测到一些奇异的粒子衰变模式。对滴线附近的原子核，可以处于共振态（或正能态）。在丰中子区，这种共振态可以通过直接发射中子或核子集团发生衰变。在丰质子区，由于库仑力的存在，价核子（质子）需要穿透库仑位垒才能发射出来。目前对一些处于滴线的原子核已经观测到了基态的双质子发射的事件，如19Mg[28]、45Fe[29]、48Ni[30]和54Zn[31]。由于质子的配对效应，在偶电荷数原子核中双质子发射比单质子发射更容易发生。对于束缚的原子核，双质子发射也可以在它们的激发态中观测到，如29S[32]、23Al以及22Mg[33]等。对这类实验数据的分析可以得到在原子核中双质子之间的相互关联。在丰中子区域同样存在着双中子发射，但由于目前在实验上还比较难实现高效率的多中子探测，相关的实验数据还很缺乏。

同核异能态(Isomer)是指长寿命的激发态。在通常原子核中激发态的衰变主要为电磁跃迁（发射γ光子），其寿命非常短(＜ps)。而同核异能态的寿命可以高达若干年。传统的理论解释是同素异能态初态和末态的跃迁矩阵元很小，原因在于角动量差异较大并且伴随着较低的跃迁能量[34]。但这并不能很好的解释过渡核区的一些实验现象，诸如180Hf中5.5 h长寿命同核异能态[35]。对于大形变的原子核，在相关的理论分析中，引入了一个新的量子数K，它代表了原子核总角动量在原子核形变对称轴上的投影。此类长寿命激发态具有较高的K， 被称为高K态。

此外还有另一类特殊的0+→0+跃迁，这种情况对于γ跃迁来说是禁戒的，但可以通过正负电子对发射或者内转换过程完成。目前在12Be[36]、32Mg[37]中已经观测到这一类束缚的0+激发态。这类在基态以上的第二0+态表明其与基态的原子核结构存在着较大的差异。形状共存(Shape co-existence)或集团结构可以较好地解释这一实验现象。

3 中低能核反应

在中低束流能量下（费米能区和库仑位垒能区），核反应过程中核子间的关联与在高束流能量情况下相比有明显的增强，这意味着低束流能量下的核反应可以更容易地将原子核激发到一些特定状态，从而有利于关联性质的研究。此外，在核天体物理研究中也往往倾向于低能核反应，这是因为在天体中原子核合成过程所发生的环境能量很低，低能的实验测量更有利于其数据向天体条件靠近。

转移反应是抽取谱因子（单粒子态占有概率）的一种有效方法，为提高反应截面，通常选择在费米运动能区（每核子10-30 MeV）。相对于破裂或敲出反应，转移反应的截面比较低。但由于其初态和末态都是两体，理论描写相对比较成熟，且只涉及原子核表面的核子，因此从中获得的谱因子信息相对比较可靠[38]，与敲出反应形成很好的互补[39]。

由于核子间关联的增强，较低束流能量也容易将原子核激发到集团分离阈附近。按照著名的Ikeda机制[40]，在集团分离阈附近通常会形成相对稳定的集团结构，改变了原子核通常的单粒子图像和自由度。近些年来集团结构在理论和实验研究上都取得了长足的进展。由于α较高的结合能，α集团成为了最常观测到的集团结构。α结构广泛存在于N=Z的原子核的激发态中，它们在核天体物理中涉及氦燃烧的过程中起着重要的作用。以反对称分子动力学(Antisym-metrized molecular dynamics, AMD)为代表的若干理论模型，预言了滴线区丰中子原子核中存在丰富的集团或分子态结构[41]。这主要是由于弱束缚核的非线性膨胀与丰富的价核子一核芯组合形式导致的。一个典型的例子是，在Be同位素链推向丰中子区的过程中，8Be（双α）核心与外围多出的价中子可以使其组成双中心的分子态结构。这一假说由最近的12Be实验[6]所证实。在该测量中，12Be的4He+8He的转动带被清晰地重建，观测到了基态到4He+8He重建的0+激发态的高强度跃迁。最近的研究表明，这种反常增强的单级跃迁是集团结构形成的一个重要表征。

低能区的融合反应对超重合成和核天体过程有重要意义。丰中子核融合反应的增强效应是一个一直有争议的话题，仍有许多重要的工作待开展[42]。

在实验测量上，较低的束流能量意味着粒子在靶中的能损会偏大，这导致了在低能实验中一般要选择很薄的反应靶以保证反应产物可以穿出，但薄靶制作相对比较困难，且反应效率偏低。最近传感器靶(Active target)的提出，为这一问题的解决提供了新思路。它的基本原理就是利用探测器本身作为反应靶（通常为气体介质），既可以提高有效靶厚以提高探测效率，也可以提供高分辨率的反应前后粒子径迹。一个比较成功的例子是时间投影室(Time projection chamber, TPC)[43]，其气体室结构先进的信号读出模式可以提供高质量的粒子三维径迹的重建。目前的一些实验结果已经显示其具有广泛的应用前景[44]。

4 快速束流(Fast beam)及零度谱学

用弹核破碎(PF-projectile fragmentation)方法产生放射性核，为了提高产额，束流能量通常比较高（每核子几十到几百MeV）。直接利用PF次级束做逆反应运动学实验，就形成了快速束流和零度谱学的一整套新方法。

在零度附近做总反应截面（或相互作用截面）测量在放射性束物理实验中有着很长的历史，第一个晕核11Li的发现就是起源于实验上发现其相互作用截面反常增大[1]。这个现象被解释为在核芯之外存在着远离核芯的价核子，需要单独描写，这也就是晕的概念。由于在高能量下核子间关联降低，反应时间减少，故而在高束流能量下测量相互作用截面更能有效地说明原子核的大小。如今相互作用截面（或较低能量下的总反应截面）测量依然广泛地应用于寻找晕核的实验中。近期一些新的晕核备选者，如22C[3]、31Ne[4]，即来源于最初对它们总截面的测量。

零度谱学的重大发展，来自于对敲出反应剩余“旁观者”原子核纵向动量分布的测量。传统方法确定敲出核子或转移核子的角动量，要依靠大范围的角分布（微分截面）的测量。由于通常角度越大截面越小，因此对于束流强度比较弱的非稳定核而言，传统的大角度测量实际行不通。从晕核的研究开始，人们意识到可以通过在零度附近测量敲出反应的“旁观者”的动量分布，按照守恒关系，来推出被敲出核子（“参与者”）的动量分布和角动量。逆运动学条件下的这种零度“旁观者”测量，相当于质心系全立体角测量，截面大得多，效率也就高得多。一开始人们测横向动量分布，但容易受散射过程的干扰。1992年，在MSU实现了利用消色差磁谱仪排除束流能散的干扰，从而准确测定“旁观者”剩余核纵向动量分布的方法[45]。如果与在束γ射线符合测量，则可以用于分析指定能态的角动量。如果进一步测出这个态的绝对截面，则可以通过与理论计算对比得出核子占据该量子态的谱因子。这套零度谱学方法（在束γ+纵向动量分布+截面）在几个大实验室均得到发展和应用，成为非稳定核谱学研究的标准方法[46]。传统的角分布测量，要求束流强度达到108s-1左右，才能进行有效的谱学测量。零度谱学的实现，使得谱学研究在102s-1左右就可以开展，相当于提高了5-6个量级（同期重离子加速器束流强度提高了3-4个量级），这的确是效益很高的革命性的进步，对放射性核束物理研究保持旺盛的生命力起到了至关重要的作用。

对原子核激发态能量以及跃迁强度的测量，可以给出原子核结构的信息，比如第一个2+激发态的能量E2+和约化概率B(E2)常用于表征幻数的出现或消失，而E4+/E2+比值用于表征原子核的集体运动模式等。由于具有较高的能量分辨率，在束γ技术被广泛地应用在此类测量中。利用大规模的探测器阵列的γ-γ符合测量，还可以清晰地获得原子核多个激发态之间的级联关系。高束流能量可以有效地提高γ产额，但同时也带来了较多的本底，并且也对γ能谱的多普勒修正提出了更高的要求。近年来随着一系列γ探测器阵列的建设，如基于半导体探测器的GAMMASPHERE[47]和GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array)[48]、基于闪烁体探测器的DALI2 (Detector Array for Low Intensity radiation 2)[49]都获得了丰富的在束γ谱学的实验数据。其中有代表性的成果就是丰中子核区的壳演化。壳模型中幻数是一个重要的概念，在幻数之上单粒子能级的扩大，因而原子核的性质比较稳定。实验观测表明，在丰中子核区，N=20的幻数核出现了反常的现象[50-52]，诸如较低的第一2+态能量以及较大的B(E2)值，同时对4+态的能量测量也揭示了这一区域原子核有着较强的集体运动模式。这些实验数据均表明，在这一区域N=20这一传统幻数已经消失。理论分析指出，大形变以及新的有效相互作用（张量力、三体力等）的引入，使得单粒子能级随着中子/质子数之比的增长而改变。在有些原子核基态中，粒子-空穴闯入态起主导作用[8]，称之为能级反转，故而这些区域被称为“反转岛”(Island of inversion)。目前实验观测发现在丰中子区N=40这一亚壳也存在类似的现象[53]。

由于很低的结合能，非稳定轻核的敲出反应，也可用于直接产生粒子不稳定的共振态，它随后衰变成若干碎片和粒子。精确鉴别这些末态粒子并测量它们的能量动量，可用于重建共振态的不变质量。重建对入射束流的能散不敏感，因此在非稳定核研究中有特殊的优越性。非稳定核的共振态往往与价核子的特殊关联以及与连续态的耦合密切相关，具有丰富物理内涵。这方面的研究一直很活跃[54-55]。

零度谱学的测量集中在比较小的角度，然而小角度散射粒子中也包含了大量的未反应束流，构成大比例的本底。在计数率很高的情况下，需要采用各种有效方法减少本底干扰，这是零度谱学的一个很有挑战性的问题。另外，通过敲出反应提取结构信息的前提是敲出过程很“干净”，“旁观者”剩余核确实保留了原来在母核中的结构信息。对于敲出表面核子的情形，这种对反应机制的要求比较容易满足，但对于敲出深束缚的核子，就会有干扰过程的作用，可能造成提取的谱因子大大减小，比较难于处理。这是目前正在研究的一个重要问题[56]。

5 重离子碰撞中的同位旋效应

重离子碰撞过程中的同位旋相关效应[57]近年来引起了人们的关注，它所涉及的核反应机制、核物态方程等有着重要的意义，在超新星、中子星（高温高密核物质）的演化方面起着重要的作用[58]。

重离子碰撞中同位旋标度(Isoscaling)[59]方法是研究核物质状态方程中同位旋相关的对称能项的有效手段之一。通过不同同位旋入射道在相同反应条件下最终产物产额的差异，可以提取同位旋相关的信息。同位旋标度在理论上和实验上都有着广泛的研究[60-63]。目前在实验工作还较多集中在稳定线附近，但远离稳定线核的碰撞实验也正在展开[58]。

6 结语

近30年以来，放射性束物理取得了长足的进展。不断有新的装置建成，新的物理现象被发现。实验技术和理论模型也得到快速发展。这些研究大大扩展了我们对于非稳定区原子核的认识，对于核天体物理等交叉学科也有着重要的推动作用。

理论预言束缚的原子核大概有8000-10000个，而实验只观测到大约3000个，在中重核区目前实验可以到达的范围离滴线还很远。对于理论上预言的一些关键原子核，如双幻数核78Ni、60Ca等，现有的实验装置能够提供的束流强度非常小。目前一些新的束流线装置正在建设中，如美国的FRIB、德国的FAIR-SuperFRS、中国的HIAF等。我们可以期望这些新的装置可以提供更多远离稳定线的束流，从而将放射性束核物理研究推向新的阶段。

1 Tanihata I, Hamagaki H, Hashimato O, et al. Measurements of interaction cross sections and nuclear radii in the light p-shell region[J]. Physical Review Letters, 1985, 55(24): 2676-2679

2 Kanungo R, Nociforo C, Prochazka A, et al. One-neutron

removal measurement reveals24O as a new doubly magic nucleus[J]. Physical Review Letters, 2009, 102: 152501

3 Tanaka K, Yamaguchi T, Suzuki T, et al. Observation of a large reaction cross section in the drip-line nucleus22C[J]. Physical Review Letters, 2010, 104: 062701

4 Nakamura T, Kobayashi N, Kondo Y, et al. Halo structure of the island of inversion nucleus31Ne[J]. Physical Review Letters, 2009, 103: 262501

5 Cook C W, Fowler W A, Lauristen C C, et al. B12, C12, and the red Giants[J]. Physical Review, 1957, 107: 508-519

6 Yang Z H, Ye Y L, Li Z H, et al. Observation of enhanced monopole strength and clustering in12Be[J]. Physical Review Letters, 2014, 112: 162501

7 Otsuka T. Exotic nuclei and nuclear forces[J]. Physics Science, 2013, T152: 014007

8 Warburton E K, Becker J A, Brown B A, et al. Mass systematics for A=29-44 nuclei: the deformed A-32 region[J]. Physical Review C, 1990, 41: 1147-1160

9 Khan E. Exotic nuclear excitations[J]. Physics Science, 2013, T152: 014008

10 Borge M J G. Beta-delayed particle emission[J]. Physics Science, 2013, T152: 014013

11 Pfutzner M. Particle radioactivity of exotic nuclei[J]. Physics Science, 2013, T152: 014014

12 Dracoulis G D. Isomers, nuclear structure and spectroscopy[J]. Physics Science, 2013, T152: 014015

13 Thibault C, Kalpisch R, Rigaud C, et al. Direct measurement of the masses of11Li and26-32Na with an on-line mass spectrometer[J]. Physical Review C, 1975, 12: 644-657

14 Weinberg S, Treiman S B. Electromagnetic corrections to isotopic spin conservation[J]. Physical Review, 1959, 116: 465-468

15 Brodeur M, Brunner T, Ettenauer S, et al. Elucidation of the anomalous A=9 isospin quartet behavior[J]. Physical Review Letters, 2012, 108: 212501

16 Blaum K, Audi G, Beck D, et al. Masses of32Ar and33Ar for fundamental tests[J]. Physical Review Letters, 2003, 91: 260801

17 Tu X L, Xu H S, Wang M, et al. Direct mass measurements of short-lived A= 2Z-1 nuclides63Ge,65As,67Se, and71Kr and their impact on nucleosynthesis in the rp process[J]. Physical Review Letters, 2011, 106: 112501

18 Zhang Y H, Xu H S, Litvinov Y A, et al. Mass measurements of the neutron-deficient41Ti,45Cr,49Fe, and53Ni nuclides: first test of the isobaric multiplet mass equation in fp-shell nuclei[J]. Physical Review Letters, 2012, 109: 102501

19 Anton K R, Kaufman S L, Klempt W, et al. Collinear laser spectroscopy on fast atomic beams[J]. Physical Review Letters, 1978, 40: 642-645

20 Hurst G S, Nayfeh M H, Young J P, et al. One-atom detection using resonance ionization spectroscopy[J]. Physical Review A, 1977, 15: 2283-2292

21 Arnold E, Bonn J, Gegenwart R, et al. Nuclear spin and magnetic moment of11Li[J]. Physics Letters B, 1987, 197: 311-314

22 Okada K, Wada M, Nakamura T, et al. Precision measurement of the hyperfine structure of laser-cooled radioactive7Be+ions produced by projectile fragmentation[J]. Physical Review Letters, 2008, 101: 212502

23 Li Z H, Ye Y L, Hua H, et al. β-decay of neutron-rich nucleus18N[J]. Physical Review C, 2005, 72: 064327

24 Sumithrarachchi C S, Anthony D W, Lofy P A, et al. β-delayed neutron decay of19N and20N[J]. Physical Review C, 2006, 74: 024322

25 Lou J L, Li Z H, Ye Y L, et al. Observation of a new transition in the β-delayed neutron decay of18N[J]. Physical Review C, 2007, 75: 057302

26 Li Z H, Lou J L, Ye Y L, et al. Experimental study of the β-delayed neutron decay of21N[J]. Physical Review C, 2009, 80: 054315

27 Sumithrarachchi C S, Morrissey D J, Davies A D, et al. States in22O via β decay of22N[J]. Physical Review C, 2010, 81: 014302

28 Mukha I, Grigorenko L, Summerer K, et al. Proton-proton correlations observed in two-proton decay of19Mg and16Ne[J]. Physical Review C, 2008, 77: 061303R

29 Miernik K, Dominik W, Janas Z, et al. Two-proton correlations in the decay of45Fe[J]. Physical Review Letters, 2007, 99: 192501

30 Pomorski M, Pfutzner M, Dominik W, et al. First observation of two-proton radioactivity in48Ni[J]. Physical Review C, 2011, 83: 061303

31 Ascher P, Audirac L, Adimi N, et al. Direct observation of two protons in the decay of54Zn[J]. Physical Review Letters, 2011, 107: 102502

32 Lin C J, Xu X X, Jia H M, et al. Experimental study of two-proton correlated emission from29S excited states[J]. Physical Review C, 2009, 80: 014310

33 Zhou P, Fang D Q, Ma Y G, et al. Measurement of two-proton correlation from the break-up of23Al[J]. International Journal of Modern Physics E, 2010, 19: 957c-964c

34 Segrè E, Helmholz A C. Nuclear isomerism[J]. Reviews of Modern Physics, 1949, 21: 271-304

35 Burson S B, Blair K W, Keller H B, et al. The radiations from hafnium[J]. Physical Review, 1951, 83: 62-68

36 Shimoura S, Ota S, Demichi K, et al. Lifetime of the isomeric state in12Be[J]. Physics Letters B, 2007, 654: 87-91

37 Wimmer K, Kroll T, Krucken R, et al. Discovery of the shape coexisting 0+state in32mg by a two neutron transfer reaction[J]. Physical Review Letters, 2010, 105: 252501

38 Gade A, Adrich P, Bazin D, et al. Reduction of spectroscopic strength: weakly-bound and strongly-bound single-particle states studied using one-nucleon knockout reactions[J]. Physical Review C, 2008, 77: 044306

39 Oganessian Y T, Zagrebaev V I, Vaaagen J S, et al. Dynamics of two-neutron transfer reactions with the Borromean nucleus6He[J]. Physical Review C, 1999, 60: 044605

40 Ikeda K, Tagikawa N, Horiuchi H. The systematic structure-change into the molecule-like structures in the self-conjugate 4n nuclei[J]. Progress of Theoretical Physics (Japan) Extra, 1968, (Suppl): 464-475

41 Horiuchi H, Ikeda K, Kato K. Recent developments in nuclear cluster physics[J]. Progress of Theoretical Physics Supplement, 2012, 192: 1-238

42 Oberacker V E, Umar A S. Microscopic analysis of sub-barrier fusion enhancement in132Sn+40Ca vs.132Sn+48Ca[J]. Physical Review C, 2013, 87: 034611

43 Suzuki D, Ford M, Bazin D, et al. Prototype AT-TPC: toward a new generation active target time projection chamber for radioactive beam experiments[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2012, 691: 39-54

44 Suzuki D, Shore A, Mitting W, et al. Resonant α scattering of6He: limits of clustering in10Be[J]. Physical Review C, 2013, 87: 054301

45 Orr N A, Anantaraman N, Austin S M, et al. Momentum distributions of9Li fragments following the breakup of11Li[J]. Physical Review Letters, 1992, 69: 2050-2053

46 Gade A. Nuclear spectroscopy with fast exotic beams[J]. Physics Science, 2013, T152: 014004

47 Lee I Y. The GAMMASPHERE[J]. Nuclear Physics A, 1990, 520: 641-655

48 Paschalis S, Lee I Y, Macchiavelli A O, et al. The performance of the gamma-ray energy tracking in-beam nuclear array GRETINA[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2013, 709: 44-55

49 Takeuchi S, Motobayashi T, Togano Y, et al. DALI2: a NaI(Tl) detector array for measurements of γ rays from fast nuclei[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2014, 763: 596-603

50 Yanagisawa Y, Notani M, Sakurai H, et al. The first excited state of30Ne studied by proton inelastic scattering in reversed kinematics[J]. Physics Letters B, 2003, 566: 84-89

51 Motobayashi T, Ikeda Y, Ieki K, et al. Large deformation of the very neutron-rich nucleus32Mg from intermediate-energy coulomb excitation[J]. Physics Letters B, 1995, 346: 9-14

52 Takeuchi S, Aoi N, Motobayashi T, et al. Low-lying states in32Mg studied by proton inelastic scattering[J]. Physical Review C, 2009, 79: 054319

53 Gade A, Janssens R V F, Weisshaar D, et al. Nuclear structure towards N=4060Ca: in-beam γ-ray spectroscopy of58,60Ti[J]. Physical Review Letters, 2014, 112: 112503

54 Cao Z X, Ye Y L, Xiao J, et al. Recoil proton tagged knockout reaction for8He[J]. Physics Letters B, 2012, 707: 46-51

55 Simon H. Halo nuclei, stepping stones across the drip-lines[J]. Physics Science, 2013, T152: 014024

56 Flavigny F, Obertelli A, Bonaccorso A, et al. Non sudden limits of heavy-ion induced knockout reactions[J]. Physical Review Letters, 2012, 108: 252501

57 Yan T Z, Ma Y G, Cai X Z, et al. Scaling of anisotropic flow and momentum-space densities for light particles in intermediate energy heavy ion collisions[J]. Physics Letters B, 2006, 638: 50-54

58 Li B A, Chen L W, Ko C M. Recent progress and new challenges in isospin physics with heavy-ion reactions[J]. Physics Reports, 2008, 464: 113-281

59 Tsang M B, Friedman W A, Gelbke C K, et al. Isotopic scaling in nuclear reactions[J]. Physcal Review Letters, 2001, 86: 5023-5026

60 Zhou P, Tian W D, Ma Y G, et al. Influence of statistical sequential decay on isoscaling and symmetry energy coefficient in a GEMINI simulation[J]. Physical Review C, 2011, 84: 037605

61 Fu Y, Fang D Q, Ma Y G, et al. Isoscaling behavior in48,40Ca+9Be collisions at intermediate energy investigated by the HIPSE model[J]. Chinese Physics Letters, 2009, 26(8): 082503

62 Tian W D, Ma Y G, Cai X Z. Isoscaling behavior in the isospin-dependent quantum molecular dynamics model[J]. Chinese Physics Letters, 2005, 22(2): 306-309

63 Dorso C O, Escudero C R, Ison M, et al. Dynamical aspects of isoscaling[J]. Physical Review C, 2006, 73: 044601

CLCTL99

Recent development in experimental RIB physics

LI Kuoang YE Yanlin
(School of Physics and State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, Peking University, Beijing 100871, China)

Background: In recent years, along with the development of the radioactive ion beam facilities, much progress has been achieved in studies of unstable nuclei. Main discoveries include exotic halo and cluster structures around the drip lines; shell evolution and new magic numbers in unstable nuclei; new effective interactions such as tensor force, three-body forces, new spin-orbit force; new modes of collective motion such as soft giant dipole resonance; multi-step process and strong couplings in nuclear reaction with unstable nuclei. Purpose: This review is focused mainly on the outline of the experimental methods which has been intensively applied to investigate the new aspects of unstable nuclei. Methods: Recently many new techniques have been used to the measurement of the basic properties of the ground state of unstable nuclei. Decay measurement, nuclear reaction at low and intermediate energies, fast beam and zero-degree spectroscopy are also widely used. The special development of these methods related to the study of unstable nuclei has been emphasized. Results and Conclusion: Plenty new phenomena of unstable nuclei were observed, which greatly expanded our studies on nuclear physics. With the development of facilities and experimental techniques, we may expect new experimental data coming soon, which would refine our knowledge of the nuclear physics.

Unstable nuclei, Nuclear structure, Nuclear reaction, Nuclear detection

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100501

973计划(No.2013CB834402)、国家自然科学基金(No.11035001、No.11275011、No.J1103206)资助

李阔昂，男，1983年出生，2012年于北京大学获博士学位，研究领域为放射性束物理实验

叶沿林，E-mail: yeyl@pku.edu.cn

2014-05-04，

2014-08-10