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Mariano
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La siguiente expresión coincide con un número, opcionalmente con decimales, conservando el signo negativo (si lo hubiese):

 (?:- *)?\d+(?:\.\d+)?

Luego, para obtener todas las coincidencias, recorremos la colección devuelta por Regex.Matches.

Código

using System.Text.RegularExpressions;
string patron = @"(?:- *)?\d+(?:\.\d+)?";
string operacion = "(2/3x^2/3) * (1/4X^-1/2)";
Regex regex = new Regex(patron);

foreach (Match m in regex.Matches(operacion))
{
    Console.WriteLine("Número: {0}", m.Value);
}

Resultado

Número: 2
Número: 3
Número: 2
Número: 3
Número: 1
Número: 4
Número: -1
Número: 2

Demo

http://ideone.com/E1c9rA



**¿Cómo referenciar un item específico?**

Directamente usando el índice de MatchCollection. Ejemplo mc[0].Value.

string patron = @"(?:- *)?\d+(?:\.\d+)?";
string operacion = "(2/3x^2/3) * (1/4X^-1/2)";
Regex regex = new Regex(patron);

MatchCollection matches = regex.Matches(operacion);

Console.WriteLine("Cantidad: {0}\nNúmero 3: {1}\nNúmero 5: {2}", 
                  matches.Count, 
                  matches[2].Value, 
                  matches[4].Value
                 );

¿O cómo convertir todos los resultados en array?

Haciendo una conversión de tipo y llevando a array.

string patron = @"(?:- *)?\d+(?:\.\d+)?";
string operacion = "(2/3x^2/3) * (1/4X^-1/2)";
Regex regex = new Regex(patron);

string[] resultados = regex.Matches(operacion)
    .OfType<Match>()
    .Select(m => m.Value)
    .ToArray();

Console.WriteLine("Número 1: {0}\nNúmero 2: {1}", 
                  resultados[0],
                  resultados[1]
                 );
Mariano
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