南京理工大学钱以斌教授领衔，联合瑞典皇家理工学院、河海大学、复旦大学、同济大学共同完成。研究将重核双 α 衰变严格处理为三体量子隧穿问题，在超球坐标框架下求解超径薛定谔方程，结合大规模势参数随机抽样计算衰变概率，揭示同时双 α 衰变与序列 α 衰变的宽度比随核电荷数与衰变能组合量呈显著线性关联，将势垒穿透动力学拓展至关联少体范畴；系统筛选出氙、镭、钚、铀、氡、钍的六种同位素为最佳实验观测候选核，其预测半衰期处于现有探测极限范围内，为重核团簇化与少体关联研究提供统一理论框架与实验指引。奇特放射性衰变模式是探索核结构、壳效应与少体关联的关键实验探针，双 α 衰变作为同时发射两个 α 粒子的预言衰变模式，自理论提出以来长期未被实验证实。轻核区霍伊尔态的双 α 碎裂已开展系列研究，但重核区双 α 衰变的物理机制与衰变概率仍存在显著理论分歧，微观密度泛函理论、推广液滴模型、库仑邻近势模型等不同框架的预测结果差异较大，实验研究亟需可靠的候选核与定量理论判据。双 α 衰变本质是母核与两个 α 粒子构成的三体衰变过程，现有理论模型多简化为两体隧穿或序列 α 衰变处理，缺乏严格的三体动力学描述，少体关联与势垒穿透的耦合机制尚未明确，统一的理论框架亟待建立。
研究团队构建超球坐标下的双 α 衰变三体理论框架，以超半径统一描述三体系统的空间尺度，总相互作用势包含核力势、库仑势与离心势三部分，基于双 α 衰变后子核处于基态的物理假设，设定超动量为零。核力势采用 Woods-Saxon 形式描述，库仑势按超球坐标展开，通过求解超径薛定谔方程，结合出射库仑波边界条件，得到不同 α 粒子发射角度的衰变宽度，经角度平均后得到总衰变宽度。为消除 Woods-Saxon 势参数的不确定性，研究团队对势参数进行 5000 次大规模随机抽样，以序列 α 衰变的实验数据严格校准参数体系，保证单 α 衰变与双 α 衰变描述的内部一致性，通过统计平均得到可靠的分支比与半衰期结果，显著提升理论预测的鲁棒性。
系统计算结果揭示了双 α 衰变的普适动力学规律：双 α 衰变宽度的对数值与核电荷数和衰变能组合量呈极强线性关联，同时衰变与序列衰变的宽度比也遵循相似的线性规律，该规律类比传统 α 衰变的盖革 - 努塔尔定律，直接证实双 α 衰变的核心物理机制仍是量子势垒穿透。这一简洁线性关系为快速筛选实验候选核提供可靠判据，大幅降低实验探索的成本与周期。基于该规律，研究团队系统计算数十种重核的双 α 衰变性质，筛选出六种最佳实验观测候选核，其双 α 衰变分支比显著高于其他核素，预测半衰期处于现有探测技术的可达范围，与已观测的重离子团簇放射性衰变寿命相当。
物理机制分析表明，这些最佳候选核的子核多靠近双幻数结构或中子数 126 的闭壳层，壳层效应显著增强双 α 衰变的可行性，其中氡 - 216 衰变至铅 - 208 的对称构型、氙 - 108 衰变至双幻数锡 - 100 的构型，均为实验观测的理想对象。研究结果与微观密度泛函理论、预形成团簇模型等多种理论框架对比，演化趋势一致且数值可靠性更高，随机抽样带来的理论误差控制在合理范围，证实理论框架的有效性。双 α 衰变的三体模型与双质子衰变的物理图像形成良好类比，揭示少体关联量子隧穿的普适性，同时发射的两个 α 粒子以背对背构型为主，与几何因子与隧穿动力学的理论预期完全一致。
该项工作首次建立重核双 α 衰变的严格三体量子理论框架，揭示类盖革 - 努塔尔的普适线性规律，明确实验观测的最佳候选核，填补了重核少体奇特衰变领域的理论空白。双 α 衰变的实验观测将为核内团簇化行为、壳效应、少体量子关联提供直接实验证据，对核天体物理中的超重元素合成、超新星核合成过程具有重要参考价值。该理论方法可直接拓展至三 α 衰变、重离子团簇衰变等多体衰变模式，为核衰变物理与少体量子力学的交叉融合提供全新研究范式。
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