Independent Validation of Octupole Collectivity in radium-224 through lifetime measurements of low-lying negative-parity states

Im Herzen der Materie liegt der Atomkern, ein dichter Klumpen aus Protonen und Neutronen, der normalerweise eine perfekt runde oder leicht abgeflachte Form besitzt. Einige schwere Kerne sind jedoch anders; sie wölben oder flachen nicht nur aus, sondern dehnen sich in eine Form aus, die keine Spiegelebene besitzt und einer Birne ähnelt. Diese ungewöhnliche Form, bekannt als Oktupol-Deformation, entsteht, wenn sich die internen Bausteine des Kerns auf eine spezifische Weise ausrichten, die die übliche Symmetrie bricht. Wissenschaftler sind an diesen birnenförmigen Kernen sehr interessiert, da sie als leistungsstarke Verstärker für seltene physikalische Effekte dienen. Wenn die fundamentalen Naturgesetze Zeit- und Spiegelsymmetrie unterschiedlich behandeln, würden diese verzerrten Kerne diese Verletzungen deutlicher offenbaren als jedes andere Objekt. Um dies zu verstehen, müssen Forscher den Kern mit extremer Präzision kartieren, indem sie messen, wie er vibriert und wie seine internen Ladungen verteilt sind, um das erwartete Verhalten von den subtilen Signalen neuer Physik zu trennen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie wandte ein Team von Physikern seine Aufmerksamkeit dem Radium-224 zu, einem Kern, der lange Zeit als Paradebeispiel für dieses birnenförmige Verhalten galt. Frühere Experimente hatten bereits gezeigt, dass Radium-224 eine starke Oktupol-Deformation besitzt, was bestätigte, dass es tatsächlich diese asymmetrische Form aufweist. Eine bleibende Frage betraf jedoch die internen elektrischen Eigenschaften des Kerns. Die Theorie sagte voraus, dass das interne elektrische Dipolmoment des Kerns – ein Maß dafür, wie seine positiven und negativen Ladungen getrennt sind – trotz der Birnenform überraschend schwach sein sollte. Diese Schwäche wurde erwartet, da zwei große, entgegengesetzte Kräfte im Inneren des Kerns angenommen wurden, die einander fast perfekt aufheben. Um dies zu testen, mussten die Forscher messen, wie lange bestimmte angeregte Zustände des Kerns existieren, bevor sie zerfallen – ein Prozess, der die Stärke der elektrischen Übergänge zwischen den Energieniveaus offenbart.

Das Experiment fand am TRIUMF statt, Kanadas Zentrum für Teilchenbeschleuniger, wo ein Strahl aus radioaktivem Francium-224 erzeugt und in ein spezialisiertes Detektionsarray namens GRIFFIN gelenkt wurde. Während die instabilen Franciumatome zerfielen, verwandelten sie sich in Radium-224 und besetzten dabei spezifische angeregte Zustände innerhalb des neuen Kerns. Die Forscher konzentrierten sich auf zwei niederliegende Zustände mit negativer Parität, die direkt mit der birnenförmigen Vibration des Kerns verknüpft sind. Unter Verwendung eines Satzes hochempfindlicher Detektoren aus Lanthanbromid-Kristallen maß das Team die Zeit, die diese Zustände benötigten, um Gammastrahlen zu emittieren und auf niedrigere Energieniveaus abzufallen. Diese Technik, bekannt als Fast-Timing, ermöglichte es ihnen, die mittleren Lebensdauern dieser Zustände mit bemerkenswerter Präzision zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass der erste Zustand mit negativer Parität 444 Pikosekunden lebte, während der zweite 460 Pikosekunden lebte. Diese Zahlen sind unglaublich klein und repräsentieren Billionstel Bruchteile einer Sekunde, doch sie lieferten den Schlüssel zur Entschlüsselung der elektromagnetischen Geheimnisse des Kerns.

Mit diesen präzisen Lebensdauern in der Hand berechnete das Team die reduzierten Übergangswahrscheinlichkeiten, die beschreiben, wie leicht der Kern seine Form ändern und Energie emittieren kann. Die Ergebnisse stimmten mit den Werten überein, die aus früheren, komplexeren Experimenten unter Verwendung der Streuung schwerer Ionen abgeleitet wurden, jedoch mit deutlich besserer Genauigkeit. Diese unabhängige Bestätigung war entscheidend, da sie die elektromagnetischen Matrixelemente validierte, die die Struktur des Kerns beschreiben. Noch wichtiger war, dass die Daten die theoretische Vorhersage bestätigten, dass das intrinsische elektrische Dipolmoment von Radium-224 stark unterdrückt ist. Der berechnete Wert für dieses Moment lag bei etwa 0,032 Elektronen-Femtometern, eine Zahl, die winzig ist im Vergleich zu dem, was man für einen so verzerrten Kern erwarten würde. Dieser kleine Wert ergibt sich daraus, dass die makroskopische Form des Kerns und die mikroskopische Anordnung seiner Protonen und Neutronen gegeneinander arbeiten und die elektrische Trennung, die normalerweise mit einer Birnenform einhergeht, fast vollständig aufheben.

Die Ergebnisse dienen als strenger Referenzwert für die Modelle, die Wissenschaftler zur Beschreibung der Kernstruktur verwenden. Während einige theoretische Berechnungen die allgemeine Form und die Energieniveaus von Radium-224 reproduzieren konnten, scheiterten sie daran, die extreme Schwäche des elektrischen Dipolmoments vorherzusagen, wobei sie dessen Stärke oft um große Faktoren überschätzten. Die neuen Messungen zeigen, dass die bloße Reproduktion der Energieniveaus nicht ausreicht; ein erfolgreiches Modell muss auch die delikate Auslöschung zwischen verschiedenen internen Beiträgen berücksichtigen. Diese Detailtiefe ist essenziell für zukünftige Suchen nach permanenten elektrischen Dipolmomenten, die neue Physik jenseits des Standardmodells offenbaren könnten. Indem sie bewiesen haben, dass das elektrische Dipolmoment in Radium-224 tatsächlich gedämpft ist, stellt die Studie sicher, dass zukünftige Experimente, die nach Verletzungen der Zeitumkehrsymmetrie suchen, auf einem soliden, experimentell verifizierten Fundament aufgebaut sind. Die Arbeit zeigt, dass selbst in einem Bereich, in dem einzigartige Anlagen und seltene Isotope erforderlich sind, die unabhängige Verifizierung der Goldstandard bleibt, um die Zuverlässigkeit wissenschaftlicher Erkenntnisse zu etablieren.