近日，中国科学院近代物理研究所重离子科学与技术全国重点实验室原子物理中心科研人员及合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环在高能高电荷态离子碰撞引起的氦原子双电离动力学研究方面取得新进展。研究团队利用高精度实验测量，结合理论计算及对历史实验数据的系统分析，澄清了氦原子双电离与单电离截面比值的约化速度标度规律中的争议，为理解双电离机制提供了新的实验依据。相关成果发表在国际物理学期刊Physical Review A。

多电子电离是离子与原子碰撞中的重要过程，其动力学研究对于理解电子关联效应和多体相互作用具有重要意义。由于氦原子仅含有两个电子，其双电离过程是研究多电子电离动力学最简单的模型体系之一。氦原子的双电离主要涉及由电子关联效应主导的一阶过程，以及入射离子分别与两个电子发生相互作用的二阶过程。不同机制的贡献与入射离子的电荷态和碰撞速度密切相关。长期以来，双电离与单电离截面的比值被广泛用于检验双电子电离理论。

早期研究发现，在一定的微扰条件下，不同入射离子引起的氦单双电离截面比值遵循统一的约化速度标度关系。然而，后续部分高电荷态离子碰撞实验报道了实验结果与半经验标度关系的明显偏离，曾被解释为高阶效应的重要证据。由于不同实验结果之间存在分歧，且缺乏足够的高精度实验数据，这些偏离是否反映了真实的高阶效应贡献，成为该领域持续数十年的争议问题。获得可靠的高电荷态离子碰撞实验数据，并明确理论标度关系的适用范围，是解决这一问题的关键。

研究团队依托兰州重离子加速器冷却储存环，利用反应显微成像谱仪开展了25、120和225 MeV/u的全裸铁离子碰撞氦原子的实验，并补充测量了5 MeV/u的O⁷⁺离子碰撞数据。得益于良好的实验真空条件、高统计量数据积累以及探测效率校正，实验获得的单双电离截面比值不确定度均低于1%，显著提高了相关实验数据的测量精度。

在此基础上，研究团队结合半经典近似和独立电子模型开展理论计算，并将新的实验结果与历史高电荷态离子碰撞数据进行系统比较。研究发现，本次测量的Fe²⁶⁺和O⁷⁺实验结果均与已有的约化速度标度关系符合良好，进一步支持了该标度关系在相应碰撞条件下的适用性。通过在相同约化速度条件下与历史实验数据进行比较，研究团队未发现单双电离截面比值随入射离子电荷态增加而系统性增强的趋势。这表明，过去报道的实验偏离尚不足以作为双电离机制中高阶效应的确凿证据。

该研究为高能高电荷态离子碰撞中的氦原子双电离过程提供了新的高精度实验基础，进一步明确了理论标度的适用范围，并对长期以来关于高阶碰撞效应的实验争议进行了重新评估。相关成果为深入理解高电荷态离子与原子碰撞过程中的多电子电离动力学，以及进一步发展和检验多体碰撞理论提供了重要参考。

该工作由中国科学院近代物理研究所主导，联合德国马克斯-普朗克核物理研究所、杜塞尔多夫大学等单位合作完成。近代物理研究所博士生郑天宇为论文第一作者，近代物理研究所马新文研究员为通讯作者。

该研究工作得到了国家重点研发计划、中国科学院国际人才计划等项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1103/lqxz-sx1t

图1：氦原子双电离机制示意图 （图源：近代物理所）

图2：相同约化速度参数下，氦原子双电离与单电离截面比值随入射离子电荷态的变化 （图源：近代物理所）

（极端碰撞动力学室 供稿）