科研动态｜学院核数据科学与应用团队建立四费米子团簇形成新框架：揭示α粒子形成的全局奇偶效应与量子相消干涉

　　α衰变于1899年由卢瑟福发现，是人类最早观测到并命名的原子核放射性，标志着原子核物理学的开端。其α粒子发射过程的量子隧穿诠释，被认为是量子力学最具代表性的应用之一。由于原子核是由核子构成的量子多体系统，而α粒子是由两个质子和两个中子组成的4He核素，α放射性的存在表明α粒子在发射之前已在原子核中预先形成（图1）。然而，在量子多体关联环境中完整处理少体关联极具挑战，以核子为自由度对α粒子形成进行微观描述，仍是当前亟待突破的世纪难题之一。

图1. α衰变示意图。

　　近日，学院核数据科学与应用团队联合瑞典皇家理工学院，在《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》和《Physics Letters B》发表了两篇论文，报道了对原子核α粒子形成机制的最新探索结果。

　　在研究中，团队建立了普适四费米子团簇形成理论框架（Universal Four-Fermion Formation Framework，U4F），然后通过组态相互作用壳模型在重质量核区进行应用实践。该方法首先从多体波函数中提取构成α粒子的全部四费米子组态，再将其中真实α粒子的质心运动波函数映射出来，从而评估α粒子的空间分布及其在原子核表面的形成特征（图2）。

图2. 普适四费米子团簇形成理论框架示意图（上）与技术图（下）。

　　研究发现，一方面，α衰变奇偶效应的全局性并不直接体现在衰变能和半衰期这两个实验观测量上，而是体现在α粒子形成过程中（图3）；另一方面，α粒子形成强度会随着原子核晕态背景自旋的增加而降低（图4）。借助U4F，研究团队进一步指出，核素图上α粒子形成全局奇偶效应源于不配对核子对原子核相空间的阻塞作用（图5）；同时，晕态背景自旋虽然提升了四费米子组态的纯度，却降低了真实α粒子成分，从而导致总体形成概率受到抑制（图6）。特别值得注意的是，研究团队预言，当四费米子组态处于“将纯未纯”的过渡状态时，高自旋态中的α粒子形成可能受到显著的量子相消干涉效应影响（图7）。

图3. α衰变能、半衰期和形成因子的三点公式值在偶中子、奇中子、偶质子和奇质子核素中的分布情况。上、下排分别表示同位素链和同中素链。

图4. 212Po晕态α粒子形成振幅的计算值与实验提取值。彩色实线标记四组哈密顿量的计算结果，灰色区域代表由半衰期、衰变能和分支比传递出的实验不确定度，灰色竖虚线代表核表面的参考位置。

　　原子核中α粒子形成是量子多体关联和核力共同作用下的自然涌现，相关机理仍存在诸多尚待解答的关键问题。U4F的建立为深入研究α粒子形成机制提供了有力工具。未来，中山大学核数据科学与应用团队将继续拓展不同核区的系统研究，为理解少核子团簇形成提供新的理论视角。

图5. 202-210Po和205-211At的α粒子形成概率计算值与实验提取值(a,b)，四核子能量与其中的零自旋对关联贡献(c-d)。

图6. 主要四费米子组态的纯度(Sq)、α团簇占比(Mα)和真实α团簇成分(SqMα)随晕态背景自旋Jα演化。

图7. 212Po前两个18+高自旋态的α粒子形成振幅(a-d)和真实α团簇成分(e-h)随四组哈密顿量的非对角元的演化。灰色区域代表由半衰期、衰变能和分支比传递出的实验不确定度，星号标记非对角元无改变的初始结果，虚线与点划线代表两主要组态。
 

论文信息：

[1] B. S. Cai, C. X. Yuan, C. Qi. A universal four-fermion formation framework and odd-even staggering in α decay[J]. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2026, 69: 252011. https://doi.org/10.1007/s11433-025-2911-9

[2] B. S. Cai, C. Qi, C. X. Yuan. High-spin alpha formation beyond 208Pb: Revealing interference phases in quartetting and alpha cluster[J]. Physics Letters B, 2026, 875: 140358. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2026.140358

图文：蔡博帅

初审：袁岑溪、周越

审核：刘李云

审核发布：徐瑶