近日，马余刚院士课题组在原子核5α凝聚理论方向取得重要进展，研究成果以“The 5α condensate state in ²⁰Ne”为题发表在《自然·通讯》上[ Nat. Commun. 14, 8206 (2023)]。该工作由复旦大学的周波教授、马余刚院士，日本关东学院大学的Y. Funaki 教授等合作者完成。周波教授为该工作的第一作者和通讯作者。

原子核是由质子和中子构成的微观量子多体费米子系统。在原子核内部，随着激发能的增加，核子有时会集聚形成较稳定的“团簇”结构，尤其是形成的⁴He（即α粒子）具有玻色子性质，甚至可以引起原子核内部的“相变”结构，例如，¹²C和¹⁶O等Nα核的激发态中可能存在奇特的α玻色-爱因斯坦凝聚态。

深入探究Nα核的形成机制并精确描述这些新颖的团簇态，对揭示原子核的内部结构，理解原子核多体关联和原子核相互作用，以及研究核天体物理中元素合成的过程至关重要。目前，¹²C中7.65 MeV能级的Hoyle态被视为3α玻色-爱因斯坦凝聚态，然而在Nα核（N > 3）中确认类Hoyle态的存在，实验和理论上仍然是一个充满挑战的问题。

图1：²⁰Ne原子核的基态(单粒子运动为主)激发到5α凝聚态(𝛼团簇运动为主)示意图(Nat. Commun. 14, 8206 (2023))

原子核团簇理论计算表明，¹⁶O 中的第六个0⁺态(Ex=15.1 MeV)被认为是4𝛼凝聚态。近些年来，大阪大学Kawabata组通过𝛼粒子非弹性散射实验发现²⁰Ne的5𝛼阈值上的某些态主要衰变到了¹⁶O 的4𝛼凝聚态。为了寻找可能存在的5𝛼凝聚态（图1），马余刚课题组对²⁰Ne中的五体团簇系统进行了微观理论计算。为了处理极其复杂的五体自由度，课题组采用了构造的微观多体凝聚波函数。同时哈密顿量包含了三体有效相互作用。采用了有效的共振态方法，消除连续态的影响，最终得到了两个位于5α阈值以上的0⁺本征态（图2）。通过对¹⁶O（0⁺_{6 ,} 4α凝聚态）+ α团簇组分的分析，最终确定0⁺_I态即为一直在寻找的5α凝聚态。这个凝聚态可能对应于实验中观察到的5α态。此研究还进一步预测，未来的实验可以进一步测量该态的单极跃迁和α衰变宽度，以揭示5α凝聚态与4α凝聚态之间的衰变联系。这一发现表明，作为3α凝聚态的Hoyle态的存在并非偶然，在类似条件下，更重的原子核中也可能发现类似的凝聚态。

图2：5α阈值以上团簇态的理论预测和实验结果比较。

理论计算得到的结果是0⁺_I态（红色）和0⁺_II态（蓝色），都在5α阈值3 MeV左右。实验结果来自于RCNP（大阪大学核物理研究中心）实验和iThemba LABS实验。(Nat. Commun. 14, 8206 (2023))

本研究为论证有限核中存在多𝛼凝聚迈出了关键的一步，这一成果对推动原子核团簇物理学的发展，特别是在理解多体关联效应和团簇结构方面，具有重要的理论和实验价值。

该研究工作受到了国家自然科学基金委、上海理论核物理中心、科技部重点研发计划等项目资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43816-9