近日，西安交通大学物理学院栗建兴教授团队与兰州大学核科学与技术学院牛一斐教授团队合作，针对核物理中长期存在的难题，即“如何测量更高多极性的同位旋矢量巨共振”，首次提出利用携带内禀轨道角动量的涡旋γ光子提取具有特定多极性巨共振的新方案。


平面波或涡旋γ光子在光轴上激发偶偶核的示意图。禁戒跃迁表示具有多极性J<丨mγ丨的电磁跃迁被禁戒，其中mγ是γ光子总角动量在其传播方向上的投影。准纯跃迁表示电磁跃迁主要来自于多极性J=丨mγ丨的贡献。

原子核巨共振由原子核内核子集体运动所引起，其不仅在核结构的研究中发挥着重要的作用，而且可以作为约束核状态方程的手段，从而对于理解超新星爆炸和中子星结构等一系列天体物理过程至关重要。传统的光核反应主要激发巨偶极共振，因此测量具有更高多极性同位旋矢量巨共振是一个巨大的挑战。近年来，随着超强激光技术的飞速发展，涡旋γ光子的产生在理论上被广泛探讨，其中大多数研究通过考虑康普顿散射来实现产生高能量和高轨道角动量的涡旋γ光子。具有内禀轨道角动量的光子会改变跃迁选择定则，使得提取特定更高极性的多极跃迁成为可能。这将拓宽人们对光核反应的传统认识，开辟核物理学的新视野。

针对上述关键科学问题，栗建兴教授和牛一斐教授的研究团队合作，基于完全自洽的无规相位近似+粒子振动耦合模型，发展了由涡旋γ光子束诱导的光核截面的计算方法。研究表明，涡旋γ光子会禁戒具有多极性J<丨mγ丨的电磁跃迁。例如，使用mγ=2的涡旋γ光子，可以在没有偶极跃迁干扰的情况下探测同位旋矢量巨四极共振。特定极角的涡旋γ光子还会禁戒具有多极性 J=丨mγ丨+1的电磁跃迁。因此，通过涡旋γ光子可以提取具有特定多极性的巨共振。此外，通过测量核光吸收截面，还可以精确诊断γ光子的涡旋特性。该研究将为实验核光谱学探索的核高能态开辟一条全新的途径，此外，该方法还为约束核状态方程，设计相干γ光子激光器等提供了新的可能性。

该成果以《涡旋γ光子调控巨多极共振》（Manipulation of Giant Multipole Resonances via Vortex γ Photons）为题，于2023年11月14日在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。西安交通大学物理学院博士研究生卢知为和兰州大学核科学与技术学院博士研究生郭亮为该论文共同第一作者，牛一斐教授和栗建兴教授为该论文的共同通讯作者。此外，中国原子能科学研究院续瑞瑞研究员、吕冲副研究员和复旦大学符长波教授、孔祥进副教授也深入参与了本工作。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中物院激光聚变研究中心、强场激光物理国家重点实验室、高功率激光物理重点实验室、陕西基础（数学、物理学）研究院等项目经费支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.202502