[论文解读] Three-Body Barrier Dynamics of Double-Alpha Decay in Heavy Nuclei

Shulin Tang, Tao Wan+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2026

Nuclear physics research studies被引用 0

一句话总结

该论文将双α裂变表述为在超球坐标中的真正三体问题，通过对超径向薛定谔方程进行随机伍兹-桑逊参量取样求解，并预测穿透比与 ZQ_{αα}^{-1/2} 的线性尺度关系，识别出有前景的重核候选体。

ABSTRACT

The simultaneous emission of two $α$ particles--double-$α$ decay--represents a long-predicted but unobserved mode of nuclear radioactivity. Here we formulate this process as a genuine three-body problem within the hyperspherical coordinate framework and evaluate decay probabilities by numerically solving the corresponding hyperradial Schrödinger equation, combined with large-scale random sampling of the potential parameters; the latter treatment ensures that the present results are more convincing. Inspired by this, we demonstrate that the penetrability ratio between simultaneous and sequential $α$ emission exhibits a strikingly linear dependence on $ZQ_{αα}^{-1/2}$, extending the barrier penetration dynamics into the correlated few-body regime. The nuclei $^{108}$Xe, $^{218}$Ra, $^{224}$Pu, $^{222}$U, $^{216}$Rn, and $^{220}$Th are suggested as the most promising candidates for the observation of double-$α$ decay, with predicted half-lives potentially accessible within present detection limits. Our results provide a unified framework for multi-$α$ decay and open a pathway to probing nuclear clustering and few-body correlations in heavy nuclei.

研究动机与目标

• 动机：将双α衰变作为研究重核中少体相关性的探针。
• 发展一个三体（超质量）框架以处理同时发射两个α粒子。
• 通过大规模WS参量采样锚定模型与单α衰变的一致性。
• 预测候选核的分支比和半衰期。
• 识别最有希望的核，便于实验观测双α衰变。

提出的方法

• 用超球坐标表示三体系统，使用超半径rho和超动量K=0。
• 将总势能V(rho, theta)写成V_N + V_C + 离心项。
• 求解超径向薛定谔方程 [-ħ²/(2μ_ρ) d²/dρ² + V(ρ,θ)] φ(ρ;θ) = Q_{αα} φ(ρ;θ)。
• 施加向外的库仑波边界条件以获得 Γ_{αα}(θ)。
• 对取向的概率分布 w(θ) 加权平均 Γ_{αα}(θ) 得到穿透性 Γ_{αα}。
• 进行大规模伍兹-桑逊参量的随机采样以传播不确定性并使与顺序α衰变的一致性得到固定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真正的三体框架下，同时双α 发射的衰变宽度是多少？
• RQ2 双α 衰变的穿透性与逐步单α 衰变在各核中的比较如何？
• RQ3 是否能在双α 分支比或衰变宽度与一个简单的 Z 与 Q_{αα} 的组合之间找到鲁棒的定标关系？
• RQ4 在当前实验条件下，哪些核是观测双α 衰变的最有前景的候选？

主要发现

• 穿透性比 Γ_{αα} 的对数显示出与 Z Q_{αα}^{-1/2} 的显著线性相关性。
• 分支比 BR 的对数也与 Z Q_{αα}^{-1/2} 存在强线性相关。
• 对候选核预测的双α 半衰期处于可实验观测的范围，中央值及不确定性如图4所示。
• 已识别的有前景候选体：108 Xe、218 Ra、224 Pu、222 U、216 Rn、220 Th，BR 值在 log10(BR) ≈ -13.7 到 -15.5 左右，T_{αα} 约为 9–12（以 log10 秒计）。
• 单α 衰变描述在采样框架下仍与实验数据一致，支持双α 的预测。