科研人员介绍，处于激发态的原子核可以通过γ衰变、内转换电子衰变、正电子-电子对衰变以及双光子衰变4种方法衰变到基态。在原子核的双光子衰变中，处于激发态的原子核同时发射两个伽马光子，该衰变过程是电磁跃迁过程中的一种普遍现象，但其强度较弱，难以观察。不过，借助实验室的条件，科研人员可以通过人为的条件设定，屏蔽原子核的其他衰变通道，对双光子衰变这一特定的衰变通道进行测量。
科研人员将72Ge32+离子存储在德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)的ESR储存环中。72Ge32+原子核存在一个同质异能态，自旋宇称为0+。该能级衰变到基态0+时，由于以下3个原因，只能发生双光子衰变(参考下图左)：a)衰变前后，72Ge32+离子的自旋和宇称保持不变，而光子的角动量为1。由于动量守恒定律限制，无法发生γ衰变。b)72Ge32+离子核外没有原子电子，不能通过内转换衰变通道进行衰变。c)激发能量为691 keV，小于1022 keV。由于能量守恒律限制，无法发生正电子-电子对衰变。因此，储存在ESR中的72Ge32+离子只能发生双光子衰变。科研人员将ESR储存环的等时模式与Schottky共振腔结合起来，首次实现了激发能量低至约100 keV、半衰期短至约10毫秒的原子核同质异能态的直接测量。
图：72Ge32+离子的双光子衰变示意图(左)以及离子的回旋频率随时间变化的光谱图(右)。每一帧的时间间隔为9.22 毫秒。每种离子种类的功率谱密度与它们的离子数量成正比。
通过实验，科研人员成功观测了72Ge32+离子的同质异能态的双光子衰变过程，并测量了激发能和双光子衰变半衰期。实验结果显示，72Ge32+离子的同质异能态0+的激发能为692.8(19)keV，和文献中的数值一致，而2γ衰变的半衰期为23.9(6)毫秒，显著偏离预期。实验结果表明，我们目前对双光子衰变过程的理解可能是不完整的，需要进一步研究以完善理论模型并解释观察到的差异。此外，此项实验开辟了通过实验室条件屏蔽原子核的衰变通道，并对某些稀有的衰变通道进行测量的新途径。为未来储存环质谱研究开辟了新的研究方向。
