⚛️ nuclear experiments

Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

تُقدم هذه الورقة أول قياس لعمر الحالة $0^+_3$ في نظير $^{118}$ Sn باستخدام التقاط النيوترونات الحرارية، حيث يوفر شدة انتقال $E0$ المعزز المرصود دليلاً دامغاً على وجود تعايش أشكال متعددة، وهو اكتشاف أكدته الحسابات النظرية التي تتنبأ بثلاثة أشكال نووية متميزة في نظائر القصدير (Sn).

المؤلفون الأصليون: F. Wu, C. R. Ding, C. Andreoiu, V. Karayonchev, Y. Li, C. Michelagnoli, C. M. Petrache, J. -M. Régis, J. M. Yao, M. Beuschlein, G. Colombi, J. M. Daugas, L. Domenichetti, A. Esmaylzadeh, P. E. Garrett

نُشر 2026-05-13

📖 3 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: F. Wu, C. R. Ding, C. Andreoiu, V. Karayonchev, Y. Li, C. Michelagnoli, C. M. Petrache, J. -M. Régis, J. M. Yao, M. Beuschlein, G. Colombi, J. M. Daugas, L. Domenichetti, A. Esmaylzadeh, P. E. Garrett, J. Jolie, M. Ley, S. Pannu, P. Spagnoletti, E. Taddei

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل نواة الذرة كأنها ساحة رقص صغيرة تعج بالحركة. عادةً، في بعض الذرات "شبه السحرية" مثل القصدير (Sn)، يفضل الراقصون (البروتونات والنيوترونات) الوقوف ساكنين في دائرة مثالية مستديرة؛ وهذا هو شكلهم الكروي المريح.

ومع ذلك، يكشف هذا البحث الجديد أن ساحة الرقص في نظائر القصدير حول الكتلة 118 تستضيف في الواقع حفلة صاخبة حيث تحدث ثلاثة أساليب رقص مختلفة في الوقت ذاته. تُسمى هذه الظاهرة "تعدد التعايش الشكلي".

إليك تفصيل بسيط لما وجده العلماء:

١. لغز الراقصين "الدخلاء"

لفترة طويلة، عرف علماء الفيزياء أن ذرات القصدير يمكن أن تغير شكلها أحياناً من شكل مستدير إلى شكل ممدود يشبه كرة القدم الأمريكية (يسمى "البروليت" أو الشكل المستطيل). واعتقدوا أن الأمر مجرد تبديل بسيط بين أسلوبين: المستدير مقابل كرة القدم.

لكن كانت هناك قطعة مفقودة من اللغز. في ذرة القصدير-118، توجد حالة استثارة محددة (حركة رقص عالية الطاقة) تسمى الحالة $0^+_3$ . كان العلماء يعلمون بوجودها، لكنهم لم يعرفوا كم من الوقت ستستمر قبل أن تتغير. وبدون معرفة "عمرها"، لم يكن بإمكانهم تحديد ما إذا كانت أسلوب رقص ثالث متميز أم مجرد مزيج فوضوي من الأسلوبين الآخرين.

٢. تجربة ساعة الإيقاع

لحل هذه المعضلة، ذهب الفريق إلى مفاعل بحثي في فرنسا (معهد لوران-لافيلانج). لقد عملوا كالمصورين الفوتوغرافيين فائق السرعة.

الإعداد: قاموا بقذف هدف من القصدير-117 بنيوترونات بطيئة الحركة. وعندما يتم التقاط نيوترون، فإنه يحول الذرة إلى قصدير-118 في حالة شديدة الاستثارة.
السباق: بينما كانت الذرة تهدأ، كانت تنبعث منها أشعة غاما (ومضات ضوئية). استخدم العلماء كواشف خاصة (بلورات LaBr3) تعمل كساعات إيقاع فائقة السرعة.
القياس: قاموا بتوقيت المدة التي استغرقتها الحالة $0^+_3$ الغامضة قبل أن تضمحل. ووجدوا أنها استمرت حوالي ٧٤ بيكو ثانية (أي ٠.٠٠٠٠٠٠٠٠٠٠٧٤ من الثانية).

٣. دليل "مغير الشكل"

معرفة العمر سمحت لهم بحساب مدى تغير شكل الذرة أثناء انتقالاتها.

التشبيه: تخيل راقصين. إذا كانا متشابهين جداً، يمكنهما تبديل الأماكن بسهولة دون جهد كبير. أما إذا كانا مختلفين تماماً (أحدهما باليرينا والآخر راقص بريك دانس)، فإن التبديل بينهما سيكون قفزة درامية هائلة.
النتيجة: قاس العلماء "قفزة" هائلة (تسمى قوة انتقال E0) بين الحالة المثارة الثانية والحالة المثارة الثالثة. أثبتت هذه القفوة الهائلة أن هاتين الحالتين هما أشكال مختلفة جوهرياً.

٤. التعايش ثلاثي الأبعاد

من خلال دمج بيانات ساعة الإيقاع الجديدة مع عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة (والتي تعمل كمختبر فيزيائي افتراضي)، استنتجوا أن القصدير-118 (وجيرانه القصدير-116 والقصدير-120) لا يكتفي بالتبديل بين شكلين فقط، بل يستضيف ثلاثة أشكال متميزة في آن واحد:
١. الكرة الكروية: الحالة الأرضية المستديرة الطبيعية.
٢. كرة القدم المستطيلة (البروليت): شكل ممدود (مثل كرة الرغبي).
٣. الفطيرة المفلطحة (الأوبليت): شكل مسطح (مثل الفطيرة أو القرص الطائر).

يشير البحث إلى أن "الحالات الدخيلة" (المثارة) هي في الواقع هذه الأشكال المختلفة التي تتصارع من أجل الهيمنة. فالحالة $0^+_2$ هي في الغالب "كرة القدم"، بينما الحالة $0^+_3$ التي تم قياسها حديثاً هي على الأرجح "الفطيرة".

لماذا يهم هذا؟

هذا اكتشاف نادر. عادةً، لا نرى سوى شكلين يتعايشان في النواة. العثور على ثلاثة أشكال في نفس الذرة يشبه العثور على غرفة واحدة يتواجد فيها في آن واحد طاولة مستديرة، وطاولة طعام طويلة، وطاولة قهوة مسطحة.

استخدم الباحثون نموذجاً حاسوبياً متطوراً (يسمى طريقة الإحداثي المولد) لتأكيد ذلك. وأظهر النموذج أن هذه الأشكال الثلاثة تظهر بشكل طبيعي من طريقة تفاعل البروتونات والنيوترونات، دون الحاجة لتعديل الرياضيات لجعلها تتناسب مع النتائج.

باختة القول: لقد نجح العلماء أخيراً في توقيت حالة ذرية عابرة، وأثبت ذلك التوقيت أن ذرات القصدير ليست مجرد مستديرة أو ممدودة، بل هي مغيرات أشكال معقدة قادرة على اتخاذ ثلاثة أشكال متميزة في نفس الوقت.

ملخص تقني: تعايش أشكال متعددة بالقرب من $^{118}$ Sn: أول قياس لعمر الحالة $0^+_3$

بيان المشكلة
تُعد نظائر القصدير (Sn) شبه السحرية ( $Z=50$ ) نظاماً مرجعياً لدراسات البنية النووية، لا سيما فيما يتعلق بتعايش الأشكال. في منطقة منتصف الغلاف النيوتروني ( $^{112-118}$ Sn)، تُفسر حالات $0^+$ المثارة حول 2 ميجا إلكترون فولت على أنها ناتجة عن استثارات بروتونية من نوع (جسيم-جسيم/ثقب-ثقب) (2p-2h) عبر فجوة غلاف $Z=50$ ، مما يشكل حزمًا دخيلة ذات تشوه ممدود (prolate) متميز عن الحالة الأرضية الكروية. وبينما تُعد انتقالات المونوبول الكهربائي (E0) المعززة بين رؤوس حزم $0^+$ علامات طيفية على خلط الأشكال، فإن الفهم الكامل للتعايش في $^{118}$ Sn قد تعذر بسبب عدم اكتمال بيانات العمر الزمني. وتحديداً، كان عمر حالة $0^+_3$ الثالثة مجهولاً سابقاً، مع توفر حدود عريضة فقط ( $60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$ ). وقد حال هذا النقص في معلومات العمر الدقيقة دون حساب قوة انتقال E0 لـ $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ ، مما ترك طبيعة الخلط بين الحالتين $0^+_2$ و $0^+_3$ واحتمالية وجود أشكال متميزة متعددة أمراً غير محسوم.

المنهجية
لمعالجة هذه الفجوة، قام المؤلفون بإجراء قياس مباشر لعمر الحالة $0^+_3$ في $^{118}$ Sn باستخدام تقنية التوقيت السريع عقب التقاط النيوترونات الحرارية.

التجربة: أُجريت التجربة في معهد لاو-لانجفان (ILL) باستخدام مطياف نواتج الانشطار لغاما السريعة (FIPPS). تم إشعاع هدف مسحوق مُخصب بنسبة 89.2% من $^{117}$ Sn بالنيوترونات الحرارية.
الكشف: استخدم الإعداد 15 كاشفاً من نوع $LaBr_3$ للتوقيت السريع (متموضعة عند زوايا $\approx 45^\circ$ و $135^\circ$ ) لقياسات التوقيت، و8 كواشف كلوفر من الجرمانيوم عالي النقاء (HPGe) المقموعة كُمبريلياً (عند زاوية $90^\circ$ ) لدقة الطاقة.
تحليل البيانات: تم إشغال الحالات عبر تفاعل $(n, \gamma)$ . استُخلص العمر الزمني باستخدام طريقة الفرق المركزي المعمم (GCD). ركز التحليل على التوافقات الثلاثية لغاما ( $\gamma\gamma\gamma$ ) لعزل تسلسل الاضمحلال من حالة الالتقاط ( $S_n = 9326$ keV) وصولاً إلى حالة $0^+_3$ واضمحلالها اللاحق. ومن خلال البوابات على شعاع غاما الأولي (4765 keV) وانتقالات التغذية/الاضمحلال المحددة (2504 keV و 827 keV)، قلل المؤلفون من الخلفية. تم قياس الفرق المركزي ( $\Delta C$ ) بين توزيعات الزمن "المتأخر" و"غير المتأخر" وتصحيحه لفرق الاستجابة السريعة (PRD) لاستخراج العمر الزمني.
النمذجة النظرية: لتفسير النتائج التجريبية، استخدم المؤلفون نظرية الكثافة الوظيفية الكوفاريتية متعددة المراجع (MR-CDFT) مدمجة مع طريقة الإحداثي المولد (GCM). يستخدم هذا النهج دالة كثافة طاقة نسبية دون تعديل المعلمات الحرة وفقاً لطاقات الاستثارة التجريبية. ويقوم ببناء الدوال الموجية الجماعية كأطياف فائقة من حالات المجال المتوسط الحافظة للتماثل ذات تشوهات رباعية الأقطاب ( $\beta_2$ ) متغيرة لوصف خلط الأشكال والتعايش.

النتائج الرئيسية

قياس العمر الزمني: تم تحديد عمر الحالة $0^+_3$ في $^{118}$ Sn ليكون $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. استُخلصت هذه القيمة من متوسط مرجح للقياسات التي شملت ثلاثة تسلسلات (أشعة غاما الأولية عند 4765، 4407، و 4972 keV).
قوى الانتقال: باستخدام العمر المقاس، تم حساب احتمال الانتقال المختزل $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ $B (E 2; 0_{3}^{+} \to 2_{1}^{+})$ ليكون $0.80(14)$ $0.80 (14)$ W.u. وبالاقتران مع بيانات $X(E0/E2)$ $X (E 0/ E 2)$ الموجودة، تم تحديد قوة انتقال E0:
- $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2.0(5) \times 10^{-3}$
- $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) مللي وحدة).
الاتفاق النظري: نجحت حسابات MR-CDFT في إعادة إنتاج أطياف الطاقة المنخفضة وقوى الانتقال لـ $^{116,118,120}$ Sn. وكشفت الحسابات أن حالات $0^+_1$ كروية تقريباً ( $\pi 1p-1h$ )، وأن حالات $0^+_2$ تهيمن عليها الأشكال الممدودة ( $\pi 4p-4h$ في $^{116,118}$ Sn)، بينما تتوافق حالات $0^+_3$ مع الأشكال المفلطحة (oblate) (تتطور من $\pi 2p-2h$ إلى $\pi 3p-3h$ ). وأكدت النتائج النظرية وجود فرق شكل كبير ( $\Delta \beta_2 > 0.24$ ) بين الحالتين $0^+_2$ و $0^+_3$ .

الأهمية والادعاءات
تتمثل الأهمية الأساسية لهذا العمل في التأكيد التجريبي الأول على تعايش أشكال متعددة في نواة $^{118}$ Sn شبه السحرية.

دليل على ثلاثة أشكال: توفر قيمة $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ الكبيرة المرصودة البالغة 150(30) مللي وحدة دليلاً دامغاً على الخلط القوي بين حالات ذات أشكال مختلفة تماماً. وبالاقتران مع الحالة الأرضية الكروية والحزمة الدخيلة الممدودة، يقترح المؤلفون تعايش ثلاثة أشكال متميزة: كروي، وممدود (prolate)، ومفلطح (oblate).
النزعة النسقية: يوسع هذا الاكتشاف ملاحظة تعايش الأشكال المتعددة لتشمل نظائر $^{116}$ Sn و $^{120}$ Sn المجاورة، مما يشير إلى ظاهرة نسقية عبر منطقة منتصف الغلاف النيوتروني لنظائر Sn.
التحقق من النموذج: تسلط الدراسة الضوء على ضرورة تضمين الاستثارات البروتونية عبر غلاف $Z=50$ وتقلبات الشكل في النماذج النظرية. إن نجاح نهج MR-CDFT في إعادة إنتاج هذه القوى الانتقالية المعقدة يتناقض مع دراسات النموذج الغلافي (shell-model) التي تستخدم لباً من نوع $Z=50$ ، والتي تفشل في التقاط هذه الميزات.
السياق الأوسع: يشير المؤلفون إلى أن تعايش الأشكال المتعددة (الذي يتضمن ثلاثة أشكال أو أكثر) قد يكون أكثر شيوعاً مما كان يُعتقد سابقاً، مستشهدين بتشابه مع الظواهر المرصودة في نظائر Ni و Pb و Cd.

يخلص البحث إلى أنه بينما تعيد MR-CDFT إنتاج قوى الانتقال بشكل جيد، فإن المبالغة في تقدير طاقات الاستثارة تشير إلى الحاجة إلى تحسينات مستقبلية، مثل تضمين المكونات ذات الزمن الفردي (time-odd) أو تكوينات شبه الجسيمات غير الجماعية الصريحة. ويشير المؤلفون إلى أن المزيد من العمل التجريبي، مثل تفاعلات اندماج-تبخير للبحث عن الحزم الدورانية المبنية على حالات $0^+_3$ ودراسات الإثارة الكولومبية لرسم مخطط المستوى $(\beta_2, \gamma)$ ، مطلوب لتثبيت سيناريو تعايش الأشكال المتعددة بشكل قاطع.

١. لغز الراقصين "الدخلاء"

٢. تجربة ساعة الإيقاع

٣. دليل "مغير الشكل"

٤. التعايش ثلاثي الأبعاد

لماذا يهم هذا؟

أبحاث مشابهة