⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

باستخدام مطياف GRIFFIN في مختبر TRIUMF، قاس الباحثون قوة انتقال ثماني أقطاب كهربائي معززة بلغت 46(3) وحدة نووية في نظير $^{148}$ Dy، مما قدم دليلاً مباشراً على وجود تجميعية ثمانية الأقطاب كبيرة لما وراء العدد الذري $Z=64$ وتوسيع الحدود المعروفة لهذه الظاهرة بعيداً عن الأعداد السحرية الثمانية التقليدية.

المؤلفون الأصليون: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney

نُشر 2026-09-21

📖 4 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney, A. B. Garnsworthy, P. E. Garrett, G. F. Grinyer, G. Hackman, J. Liu, A. Ludlam, L. L. Luperi, Madhu, T. La Marca, D. Movilla-Quintero, S. Murillo Morales, R. Nicolas del Alamo, M. M. Rajabali, P. H. Regan, M. Rocchini, M. Scheck, J. Seger, S. Sekal, D. Stramaccioni, C. E. Svensson, A. Tsantiri, J. Williams, F. Wu

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

في قلب كل ذرة يكمن النواة، وهي تجمع كثيف من البروتونات والنيوترونات التي عادة ما تتخذ شكلاً مستديراً تماماً أو مفلطحاً قليلاً. لعقود من الزمن، عرف الفيزيائيون أنه في ظل ظروف محددة، يمكن لهذه النوى أن تتمدد لتتخذ شكل الكمثرى، حيث يكون أحد طرفيها أثقل قليلاً من الآخر. ينشأ هذا الشكل غير المعتاد عن صراع خفي بين الجسيمات في الداخل، مما يخلق تشوهاً يكسر تماثل الكرة. يهتم العلماء بعمق بهذه النوى الكمثرية لأنها قد تحمل المفتاح لفهم سبب كون الكون مكوناً من المادة بدلاً من المادة المضادة. ولإيجادها، يبحث الباحثون عن تركيبات محددة من البروتونات والنيوترونات حيث يكون ظهور هذا الشكل الكمثري أكثر احتمالاً، وغالباً ما يكون ذلك بالقرب من أعداد "سحرية" معينة تعمل مثل درجات ثابتة على سلم.

لقد قطع فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة للأمام في رسم خرائط أماكن وجود هذه الأشكال الكمثرية. فقد ركزوا على نظير لعنصر الديسبروزيوم، وتحديداً ذرة تحتوي على 66 بروتوناً و82 نيوتروناً. ومن خلال دراسة كيفية تحلل هذه الذرة، تمكنوا من قياس خاصية تسمى قوة الانتقال الثماني الأقطاب الكهربائي (electric octupole transition strength). وببساء العبارة، يخبرنا هذا القياس مدى سهولة تحول النواة من الشكل الكمثري للعودة إلى الشكل المستدير، أو مدى قوة اهتزازها في هذا النمط الشبيه بالكمثرى. وكلما كانت هذه الإشارة أقوى، كان الشكل الكمثري أكثر وضوحاً داخل النواة. ويعد إجراء هذا القياس تحديداً أمراً صعباً للغاية لأن الإشارات تكون باهتة وسهلة الغرق وسط أنواع أخرى أكثر شيوعاً من التحلل النووي.

لالتقاط هذه الإشارة المراوغة، أنشأ الفريق حزمة من ذرات الديسبروزيوم في منشأة بحثية كبرى في كندا. قاموا بقذف هدف ببروتونات عالية الطاقة لإنشاء نسخة نادرة وغير مستقرة من هذا العنصر، ثم قاموا بتصفيتها وإبطاء سرعتها حتى تصبح مناسبة تماماً للمراقبة. تم زرع هذه الذرات في نظام شريط محاط بمصفوفة متطورة من الكواشف. ومع تحلل هذه الذرات، كانت تنبعث منها أشعة غاما، وهي ومضات ضوئية عالية الطاقة. استخدم الباحثون تقنية توقيت متخصصة لقياس المدة التي انتظرتها النواة المثارة قبل إطلاق طاقتها. ومن خلال الجمع بين هذا التوقيت الدقيق وحساب عدد المرات التي اختارت فيها النواة إطلاق الطاقة مباشرة إلى حالتها الأرضية مقابل اتخاذ مسار عبر خطوة وسيطة، استطاعوا حساب قوة الاهتزاز الثماني الأقطاب.

كانت النتائج مذهلة. فقد حدد الفريق أن قوة الانتقال لهذا النظير من الديسبروزيوم تبلغ 46 وحدة، وهي قيمة تعد الأكبر التي تم قياسها على الإطلاق في هذه السلسلة المحددة من العناصر. يؤكد هذا الاكتشاف أن الميل لتشكيل أشكال كمثرية لا يتوقف عند الحد المعروف سابقاً بـ 64 بروتوناً، بل يمتد ليصل إلى 66 بروتوناً على الأقل. وتشير البيانات إلى أن المنطقة في الجدول الذري حيث تكون هذه الأشكال أكثر بروزاً هي أكبر مما كان يُعتقد سابقاً، مما يدفع حدود توقعاتنا لمكان وجودها. هذا القياس ليس مجرد رقم؛ بل هو دليل مباشر على تعزيز التجمع الثماني الأقطاب، مما يشير إلى اهتزاز قوي شبيه بالكمثرى، وإن كان التساؤل حول ما إذا كان هذا يمثل تشوهاً مستقراً بشكل دائم لا يزال قائماً في هذه المنطقة.

قارن الباحثون نتائجهم التجريبية بنماذج حاسوبية معقدة مصممة للتنبؤ بالسلوك النووي. وبينما اقتربت بعض النماذج النظرية من النتائج، لم يتوقع أي منها حجم القوة التي رصدوها في ذرة الديسبروزيوم بشكل كامل. فقد أشارت المحاكاة إلى أن التأثير سيكون أضعف، أو فشلت في التقاط الزيادة الحادة المشاهدة في البيانات. وتبرز هذه الفجوة بين النظرية والقياس أن فهمنا الحالي لكيفية تفاعل البروتونات والنيوترونات لإنشاء هذه الأشكال لا يزال غير مكتمل. إذ تحتاج النماذج إلى الصقل لتأخذ في الاعتبار الطرق المحددة التي تتحرك بها هذه الجسيمات عبر فجوات الطاقة التي كان يُعتقد سابقاً أنها أقل أهمية.

إن هذا العمل يفعل أكثر من مجرد إضافة نقطة بيانات إلى جدول؛ إنه يعيد تعريف الحدود التي يجب أن نبحث فيها عن هذه الأشكال الغريبة. ويشير الاكتشاف إلى أن منطقة "الشكل الكمثري" تمتد إلى عناصر أثقل مما توقع العلماء. كما يوحي بأن نظائر أخرى قريبة، والتي لم تُدرس بعد بهذا المستوى من الدقة، قد تمتلك خصائص أقوى شبيهة بالكمثرى. توفر النتائج اتجاهاً واضحاً للتجارب المستقبلية، وتحث الباحثين على النظر في عناصر أثقل لمعرفة ما إذا كان هذا الاتجاه سيستمر. ومن خلال تحديد مكان قوة هذه الأشكال بدقة، تقرب الدراسة البشرية من فهم القوى الأساسية التي تشكل المادة من حولنا، دون الاعتماد على التخمين أو الإشارات غير المباشرة.

ملخص تقني: القياس المباشر لجمعية ثماني الأقطاب المعززة في $^{148}\text{Dy}$

بيان المشكلة
إن وجود النوى ذات شكل "الكمثرى" الناتج عن كسر التماثل الانعكاسي مدفوع بارتباطات ثمانية الأقطاب (octupole-octupole) بعيدة المدى، والتي تكون في أقوى حالاتها عندما تقع أزواج من المدارات التي تختلف بمقدار $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ بالقرب من مستوى فيرمي. وبينما تم تسليط تركيز نظري وتجريبي كبير على مناطق الأكتينيدات ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) واللانثانيدات ( $Z \sim 56, N \sim 88$ )، إلا أن الحدود الدقيقة لجمعية ثماني الأقطاب المعززة لا تزال غير واضحة. وتحديداً، بينما لوحظ أن قوى الانتقال $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ تزداد من $Z=50$ إلى $Z=64$ ضمن سلسلة الأيسوتونات $N=82$ ، لم يكن معروفاً ما إذا كان هذا الاتجاه يستمر لما بعد $Z=64$ (الجادولينيوم) أو ما إذا كانت نظائر الجادولينيوم تمثل ذروة الجمعية في هذه المنطقة. علاوة على ذلك، فإن الوصول التجريبي إلى قوى انتقال الكهرباء ثمانية الأقطاب (E3) يعد أمراً صعباً لأن انتقالات E3 غالباً ما تتنافس بشكل ضعيف مع انتقالات E1 أو E2 المسموحة.

المنهجية
قام المؤلفون بإجراء قياس مباشر لمتوسط عمر المستوى $3^-_1$ في $^{148}\text{Dy}$ والكسر الفرعي لانحلاله.

الإنتاج: تم إثارة الحالات المثارة في $^{148}\text{Dy}$ عبر اضمحلال $\beta^+$ /EC للمتساوغ $5^-$ لـ $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9.60(13)$ ثانية). تم إنتاج المتساوغ عن طريق قذف هدف من التنتالوم ببروتونات طاقتها 480 ميجا إلكترون فولت في منشأة TRIUMF ISAC-I.
تنقية الحزمة: تم تأيين ذرات الهو (Ho) باستخدام مصدر أيوني ليزري لقمع الملوثات الأيزوبارية، متبوعاً بفصل كتلي لإنتاج حزمة $^{148}\text{Ho}$ نقية، والتي تم زرعها في شريط من المايلر في مركز مطياف GRIFFIN.
الكشف: استُخدم مطياف GRIFFIN، المجهز بـ 15 كلوفر من نوع HPGe و8 كواشف LaBr $_3$ (Ce) سريعة الوميض (مع درع مضاد لـ Compton نشط)، لجمع بيانات الاضمحلال.
قياس متوسط العمر: تم تحديد متوسط عمر المستوى $3^-_1$ باستخدام طريقة فرق المركز المتعمم (GCD). تضمن ذلك قياس فرق الزمن بين انتقال التغذية ( $5^-_1 \to 3^-_1$ عند 660.8 كيلو إلكترون فولت) وانتقالات الاضمحلال ( $3^-_1 \to 0^+_1$ عند 1687.5 كيلو إلكترون فولت و $3^-_1 \to 2^+_1$ عند 1677.5 كيلو إلكترون فولت) باستخدام كواشف LaBr $_3$ (Ce).
الكسر الفرعي: تم اشتقاق الكسر الفرعي المطلق لأشعة غاما للانتقال $3^-_1 \to 0^+_1$ عن طريق قياس نسبة شدة أشعة 1687-keV (E3) و1677-keV (E2) بالتزامن مع الانتقالات التي تغذي المستوى $3^-_1$ . وتم أخذ مساهمة انتقال E1 غير المرصود (10-keV) في الاعتبار باستخدام معاملات التحويل الداخلي.
التحليل: تضمن تحليل البيانات تصحيحات لزمن ارتباط خلفية Compton وفارق الاستجابة اللحظية (PRD) المعتمد على الطاقة لنظام الكاشف.

النتائج الرئيسية

متوسط العمر: تم تحديد متوسط عمر المستوى $3^-_1$ في $^{148}\text{Dy}$ ليكون $\tau = 640(38)$ بيكوثانية. وكانت هذه القيمة متسقة مع النتائج التي تم الحصول عليها عبر طريقة الالتفاف (convolution method) حيث $\tau = 640(25)$ بيكوثانية.
الكسر الفرعي: تم قياس الكسر الفرعي لغاما للحالة الأرضية للانتقال $3^-_1 \to 0^+_1$ ليكون $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0.862(11)$ .
قوة الانتقال: من خلال دمج متوسط العمر والكسر الفرعي، تم حساب قوة انتقال الكهرباء ثمانية الأقطاب المختزلة كـ $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ وحدة وحدة (W.u.).
المقارنة: تمثل هذه القيمة أكبر قوة $B(E3)$ تم قياسها عبر سلسلة الأيسوتونات $N=82$ بأكملها، وهي واحدة من أكبر القيم في منطقة اللانثانيدات.

السياق النظري والمقارنة
تمت مقارنة النتائج التجريبية بحسابات تقريب الجمع العشوائي شبه الموصلي (QRPA) باستخدام دالات كثافة الطاقة Skyrme من نوع SkI3 وSkM*.

QRPA: أعاد تفاعل SkM* إنتاج البيانات للأيزوتونات الأخف ( $^{142}\text{Nd}$ ، $^{144}\text{Sm}$ ، $^{146}\text{Gd}$ )، لكنه قلل بشكل كبير من التعزيز الملاحظ في $^{148}\text{Dy}$ . أما تفاعل SkI3 فقد أعاد إنتاج نتيجة $^{148}\text{Dy}$ ولكنه بالغ في تقدير القوة في $^{146}\text{Gd}$ . يشير كلا النموذجين إلى أن التعزيز مدفوع بزيادة إشغال المدار $\pi 1d_{5/2}$ وتوافر المدار $\pi 0h_{11/2}$ ، لكن لا أحد منهما يستطيع استيعاب حجم الزيادة من $^{146}\text{Gd}$ إلى $^{148}\text{Dy}$ بشكل كامل.
نموذج القشرة (Shell Model): قللت حسابات نموذج القشرة القياسية من قيم $B(E3)$ بمعامل قدره اثنين. وقد وفر نهج نموذج القشرة المزاح، الذي يأخذ في الاعتبار إثارات النيوترون المفقودة عبر القشور بالرجوع إلى نواة $^{132}\text{Sn}$ ، خط أساساً أفضل، لكنه ظل يفشل في إعادة إنتاج الزيادة الكبيرة الملاحظة بين $^{146}\text{Gd}$ و $^{148}\text{Dy}$ .

الأهمية والادعاءات
يدعي المؤلفون أن هذا العمل يوفر دليلاً مباشراً على تعزيز جمعية ثماني الأقطاب لما بعد $Z=64$ ، مما يوسع الحدود المعروفة لهذه الظاهرة بعيداً عن "الأرقام السحرية لثماني الأقطاب" التقليدية ( $Z=56, N=88$ ).

يؤكد القياس أن اتجاه زيادة قوة $B(E3)$ يستمر لما بعد $^{146}\text{Gd}$ شبه المزدوج السحري، ليصل إلى ذروته في $^{148}\text{Dy}$ ضمن سلسلة $N=82$ .
يتحدى هذا النتيجة النماذج النظرية الحالية (QRPA وSM)، مما يشير إلى الحاجة لوصف أكثر دقة لارتباطات ثماني الأقطاب عبر القشور.
يقترح المؤلفون أنه بناءً على المنهجيات وتوقعات QRPA، فإن نظائر الديسبروزيوم الأثقل ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) ونظائر الإربيوم واليتيربيوم قد تمتلك قوى $B(E3)$ أكبر، مما يحفز الدراسات التجريبية المستقبلية في هذه المناطق لرسم خريطة كاملة لحدود جمعية ثماني الأقطب.
توضح الدراسة جدوى تقنيات التوقيت السريع المقترنة بقياسات الكسر الفرعي كنهج تكميلي للإثارة الكولومبية لتحديد قيم $B(E3)$ في النوى التي تكون فيها انتقالات E3 متاحة تجريبياً.

أبحاث مشابهة