Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Diese Arbeit berichtet über die erste Messung der Lebensdauer des $0^+_3$-Zustands in $^{118}$Sn mittels thermischer Neutroneneinfangreaktion, wobei die beobachtete verstärkte $E0$-Übergangsstärke überzeugende Hinweise auf das gleichzeitige Vorliegen mehrerer Kernformen liefert, ein Befund, der durch theoretische Berechnungen gestützt wird, die drei unterschiedliche Kernformen in den Sn-Isotopen vorhersagen.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich den Atomkern als eine winzige, geschäftige Tanzfläche vor. Normalerweise stehen in bestimmten „halb-magischen" Atomen wie Zinn (Sn) die Tänzer (Protonen und Neutronen) gerne in einem perfekten, runden Kreis still. Dies ist ihre bequeme, kugelförmige Gestalt.

Diese neue Forschung zeigt jedoch, dass in den Zinn-Isotopen um die Masse 118 die Tanzfläche tatsächlich eine wilde Party veranstaltet, bei der drei verschiedene Tanzstile genau zur gleichen Zeit stattfinden. Dieses Phänomen wird als „multiple Formkoexistenz" bezeichnet.

Hier ist eine einfache Aufschlüsselung dessen, was die Wissenschaftler fanden:

1. Das Rätsel der „Eindringling"-Tänzer

Lange Zeit wussten Physiker, dass Zinnatome manchmal von einer runden Form in eine gestreckte, fußballähnliche Form wechseln können (genannt „prolat"). Sie glaubten, dies sei nur ein einfacher Wechsel zwischen zwei Stilen: Rund vs. Fußball.

Aber es fehlte ein Puzzleteil. Im Zinn-118-Atom gibt es einen spezifischen angeregten Zustand (eine energiereiche Tanzbewegung), der $0^+_3$-Zustand genannt wird. Die Wissenschaftler wussten, dass er existierte, aber sie wussten nicht, wie lange er dauerte, bevor er sich veränderte. Ohne Kenntnis seiner „Lebensdauer" konnten sie nicht sagen, ob es sich um einen distincten dritten Tanzstil handelte oder nur um eine chaotische Mischung der anderen beiden.

2. Das Stoppuhr-Experiment

Um dies zu lösen, begab sich das Team zu einem Forschungsreaktor in Frankreich (dem Institut Laue-Langevin). Sie agierten wie Hochgeschwindigkeitsfotografen.

• Der Aufbau: Sie beschossen ein Ziel aus Zinn-117 mit langsam bewegten Neutronen. Wenn ein Neutron eingefangen wurde, verwandelte es das Atom in einen superangeregten Zustand von Zinn-118.
• Das Rennen: Als sich das Atom beruhigte, emittierte es Gammastrahlen (Lichtblitze). Die Wissenschaftler verwendeten spezielle Detektoren (LaBr3-Kristalle), die wie unglaublich schnelle Stoppuhren funktionieren.
• Die Messung: Sie maßen genau, wie lange der mysteriöse $0^+_3$-Zustand existierte, bevor er zerfiel. Sie fanden heraus, dass er etwa 74 Pikosekunden dauerte (das sind 0,000000000074 Sekunden).

3. Der „Gestaltwandler"-Beweis

Die Kenntnis der Lebensdauer ermöglichte es ihnen, zu berechnen, wie stark sich die Form des Atoms während seiner Übergänge veränderte.

• Die Analogie: Stellen Sie sich zwei Tänzer vor. Wenn sie sich sehr ähnlich sind, können sie mühelos die Plätze tauschen. Wenn sie sehr unterschiedlich sind (eine ist eine Ballerina, der andere ein Breakdancer), ist der Wechsel zwischen ihnen ein riesiger, dramatischer Sprung.
• Das Ergebnis: Die Wissenschaftler maßen einen massiven „Sprung" (genannt E0-Übergangsstärke) zwischen dem zweiten angeregten Zustand und dem dritten angeregten Zustand. Dieser große Sprung bewies, dass diese beiden Zustände fundamental verschiedene Formen sind.

4. Die Dreier-Koexistenz

Durch die Kombination ihrer neuen Stoppuhr-Daten mit fortschrittlichen Computersimulationen (die wie ein virtuelles Physiklabor funktionieren), kamen sie zu dem Schluss, dass Zinn-118 (und seine Nachbarn Zinn-116 und Zinn-120) nicht nur zwischen zwei Formen wechselt. Es beherbergt drei distincte Formen gleichzeitig:

1. Der Kugelförmige Ball: Der normale, runde Grundzustand.
2. Der Prolate Fußball: Eine gestreckte Form (wie ein Rugbyball).
3. Der Oblate Pfannkuchen: Eine abgeflachte Form (wie ein Pfannkuchen oder eine Frisbee).

Die Arbeit legt nahe, dass die „Eindringling"-Zustände (die angeregten) tatsächlich diese verschiedenen Formen sind, die um die Vorherrschaft kämpfen. Der $0^+_2$-Zustand ist hauptsächlich der „Fußball", während der neu gemessene $0^+_3$-Zustand wahrscheinlich der „Pfannkuchen" ist.

Warum dies wichtig ist

Dies ist eine seltene Entdeckung. Normalerweise sehen wir nur zwei Formen, die in einem Kern koexistieren. Drei in demselben Atom zu finden, ist wie das Finden eines einzigen Raumes, in dem ein runder Tisch, ein langer Esstisch und ein flacher Couchtisch gleichzeitig denselben Raum einnehmen.

Die Forscher verwendeten ein ausgeklügeltes Computermodell (genannt Generator-Koordinaten-Methode), um dies zu bestätigen. Das Modell zeigte, dass diese drei Formen natürlich aus der Art und Weise hervorgehen, wie Protonen und Neutronen interagieren, ohne dass die Mathematik angepasst werden muss, damit sie passt.

Kurz gesagt: Die Wissenschaftler maßen endlich einen flüchtigen atomaren Zustand, und diese Messung bewies, dass Zinnatome nicht nur rund oder gestreckt sind; sie sind komplexe Gestaltwandler, die in der Lage sind, drei distincte Formen gleichzeitig zu halten.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Koexistenz mehrerer Formen in der Nähe von $^{118}$Sn: Erste Lebensdauermessung des Zustands $0^+_3$

Problemstellung
Die halb-magischen Zinn (Sn)-Isotope ($Z=50$) sind ein Referenzsystem für Studien zur Kernstruktur, insbesondere hinsichtlich der Formkoexistenz. Im Bereich der neutronenmittleren Schale ($^{112-118}$Sn) werden angeregte $0^+$-Zustände um 2 MeV als resultierend aus Protonen-Zwei-Teilchen-Zwei-Loch (2p-2h)-Anregungen über die $Z=50$-Schalenlücke interpretiert, die intruder Bänder mit prolativer Deformation bilden, die sich vom sphärischen Grundzustand unterscheiden. Obwohl verstärkte elektrische Monopol-Übergänge (E0) zwischen $0^+$-Bandköpfen als spektroskopische Signaturen der Formmischung dienen, wurde ein vollständiges Verständnis der Koexistenz in $^{118}$Sn durch unvollständige Lebensdauerdaten behindert. Insbesondere war die Lebensdauer des dritten angeregten $0^+$-Zustands ($0^+_3$) in $^{118}$Sn bisher unbekannt, wobei nur breite Grenzen ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$) verfügbar waren. Dieser Mangel an präzisen Lebensdauerinformationen verhinderte die Berechnung der E0-Übergangsstärke $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, sodass die Natur der Mischung zwischen den Zuständen $0^+_2$ und $0^+_3$ sowie das potenzielle Vorhandensein mehrerer unterschiedlicher Formen ungelöst blieben.

Methodik
Um diese Lücke zu schließen, führten die Autoren eine direkte Lebensdauermessung des $0^+_3$-Zustands in $^{118}$Sn mit der Fast-Timing-Technik nach thermischer Neutroneneinfangreaktion durch.

• Experiment: Das Experiment wurde am Institut Laue-Langevin (ILL) unter Verwendung des FIssion Product Prompt gamma-ray Spectrometers (FIPPS) durchgeführt. Ein mit 89,2 % $^{117}$Sn angereichertes Pulverziel wurde mit thermischen Neutronen bestrahlt.
• Detektion: Der Aufbau nutzte 15 $LaBr_3$-Fast-Timing-Detektoren (positioniert bei $\approx 45^\circ$ und $135^\circ$) für Zeitmessungen und 8 Compton-unterdrückte Hochreine-Ge-Halbleiterdetektoren (HPGe) vom Clover-Typ (bei $90^\circ$) für die Energieauflösung.
• Datenanalyse: Die Zustände wurden über die $(n, \gamma)$-Reaktion bevölkert. Die Lebensdauer wurde mit der verallgemeinerten Schwerpunktdifferenz-Methode (Generalized Centroid Difference, GCD) extrahiert. Die Analyse konzentrierte sich auf Triple-Gamma-Koinzidenzen ($\gamma\gamma\gamma$), um den Zerfallskaskaden vom Einfangzustand ($S_n = 9326$ keV) hinunter zum $0^+_3$-Zustand und dessen nachfolgendem Zerfall zu isolieren. Durch Gating auf das primäre $\gamma$-Quant (4765 keV) und spezifische Zufluss-/Zerfallsübergänge (2504 keV und 827 keV) wurde der Untergrund minimiert. Die Schwerpunktdifferenz ($\Delta C$) zwischen „verzögerten" und „anti-verzögerten" Zeitverteilungen wurde gemessen und für den Unterschied der impulsiven Antwort (PRD) korrigiert, um die Lebensdauer zu extrahieren.
• Theoretische Modellierung: Zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse wandten die Autoren die Multi-Reference Covariant Density Functional Theory (MR-CDFT) in Kombination mit der Generator-Koordinaten-Methode (GCM) an. Dieser Ansatz verwendet einen relativistischen Energiedichtefunktional ohne Anpassung freier Parameter an experimentelle Anregungsenergien. Er konstruiert kollektive Wellenfunktionen als Überlagerungen von symmetrieerhaltenden Mean-Field-Zuständen mit variierenden Quadrupoldeformationen ($\beta_2$), um Formmischung und -koexistenz zu beschreiben.

Hauptergebnisse

• Lebensdauermessung: Die Lebensdauer des $0^+_3$-Zustands in $^{118}$Sn wurde zu $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps bestimmt. Dieser Wert wurde aus einem gewichteten Durchschnitt von Messungen mit drei verschiedenen Kaskaden (primäre $\gamma$-Quanten bei 4765, 4407 und 4972 keV) abgeleitet.
• Übergangsstärken: Unter Verwendung der gemessenen Lebensdauer wurde die reduzierte Übergangswahrscheinlichkeit $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ als $0,80(14)$ W.u. berechnet. Kombiniert mit vorhandenen $X(E0/E2)$-Daten wurde die E0-Übergangsstärke bestimmt:
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2,0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) Millieinheiten).
• Theoretische Übereinstimmung: Die MR-CDFT-Berechnungen reproduzierten erfolgreich die niedrig liegenden Energiespektren und Übergangsstärken für $^{116,118,120}$Sn. Die Berechnungen zeigten, dass die $0^+_1$-Zustände nahezu sphärisch sind ($\pi 1p-1h$), die $0^+_2$-Zustände von prolativen Formen dominiert werden ($\pi 4p-4h$ in $^{116,118}$Sn) und die $0^+_3$-Zustände oblaten Formen entsprechen (entwickelnd von $\pi 2p-2h$ zu $\pi 3p-3h$). Die theoretischen Ergebnisse bestätigten einen großen Formunterschied ($\Delta \beta_2 > 0,24$) zwischen den $0^+_2$- und $0^+_3$-Zuständen.

Bedeutung und Behauptungen
Die primäre Bedeutung dieser Arbeit ist der erste experimentelle Nachweis der Koexistenz mehrerer Formen im halb-magischen $^{118}$Sn-Kern.

• Nachweis für drei Formen: Der große beobachtete Wert von $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ von 150(30) Millieinheiten liefert überzeugende Beweise für eine starke Mischung zwischen Zuständen mit signifikant unterschiedlichen Formen. In Kombination mit dem bekannten sphärischen Grundzustand und dem prolativen Intruder-Band schlagen die Autoren die Koexistenz von drei unterschiedlichen Formen vor: sphärisch, prolativ und oblat.
• Systematischer Trend: Diese Erkenntnis erweitert die Beobachtung der Koexistenz mehrerer Formen auf die benachbarten Isotope $^{116}$Sn und $^{120}$Sn und deutet auf ein systematisches Phänomen im Bereich der neutronenmittleren Schale der Sn-Isotope hin.
• Modellvalidierung: Die Studie unterstreicht die Notwendigkeit, Protonenanregungen über die geschlossene $Z=50$-Schale und Formfluktuationen in theoretischen Modellen einzubeziehen. Der Erfolg des MR-CDFT-Ansatzes bei der Reproduktion dieser komplexen Übergangsstärken steht im Kontrast zu Schalenmodellstudien unter Verwendung eines $Z=50$-Kerns, die diese Merkmale nicht erfassen können.
• Breiterer Kontext: Die Autoren schlagen vor, dass die Koexistenz mehrerer Formen (unter Einbeziehung von drei oder mehr Formen) häufiger sein könnte als bisher anerkannt, und ziehen Parallelen zu ähnlichen Phänomenen, die in Ni-, Pb- und Cd-Isotopen beobachtet wurden.

Die Arbeit schließt damit, dass, obwohl die MR-CDFT die Übergangsstärken gut reproduziert, die Überschätzung der Anregungsenergien eine zukünftige Verfeinerung nahelegt, wie etwa die Einbeziehung von zeit-ungleichen Komponenten oder expliziten nicht-kollektiven Quasiteilchen-Konfigurationen. Die Autoren stellen fest, dass weitere experimentelle Arbeiten, wie Fusionsverdampfungreaktionen zur Suche nach Rotationsbändern, die auf den $0^+_3$-Zuständen aufgebaut sind, sowie Coulomb-Anregungsstudien zur Kartierung der $(\beta_2, \gamma)$-Ebene, erforderlich sind, um das Szenario der Koexistenz mehrerer Formen fest zu etablieren.