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][1].

**Código**

<!-- language: lang-cs -->

    using System.Text.RegularExpressions;

<!-- language: lang-cs -->

    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

---

<br>
**¿Cómo referenciar un item específico?**

Directamente usando el índice de [MatchCollection][2]. Ejemplo `mc[0].Value`.

<!-- language: lang-cs -->

    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.

<!-- language: lang-cs -->

    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();
    
<!-- language: lang-cs -->

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


  [1]: https://msdn.microsoft.com/es-es/library/system.text.regularexpressions.regex.matches(v=vs.110).aspx "Busca en una cadena de entrada todas las apariciones de una expresión regular y devuelve todas las coincidencias."
  [2]: https://msdn.microsoft.com/es-es/library/system.text.regularexpressions.matchcollection(v=vs.110).aspx