B$_{4/2}$ anomaly related to the shape coexistence in $^{94}$Zr

Im Herzen eines jeden Atoms liegt ein Kern, ein dichter Cluster aus Protonen und Neutronen, der sich weniger wie eine starre Murmel und mehr wie ein Flüssigkeitstropfen verhält. In der Welt der Kernphysik können diese Tropfen ihre Form ändern. Manchmal sind sie vollkommen rund, wie eine Kugel. Ein anderes Mal dehnen sie sich zu einem Oval aus, das einem Rugbyball ähnelt, oder flachen zu einer Scheibe ab. Jahrzehntelang haben Physiker mathematische Modelle entwickelt, um vorherzusagen, wie diese Kerne vibrieren und rotieren, in der Erwartung, dass sich der Kern in einer stabilen Form festsetzt oder sanft zwischen ihnen übergeht. Die Natur überrascht uns jedoch oft mit Ausnahmen, die diesen ordentlichen Erwartungen trotzen. Eines solcher Rätsel betrifft eine spezifische Messung der Art und Weise, wie der Kern Energie emittiert – ein Wert, der manchmal auf eine überraschend niedrige Zahl abfällt und die Muster durchbricht, die Standardtheorien vorhersagen. Dieses Anomalie-Phänomen, bekannt als B4/2-Anomalie, ist in einer Handvoll Kerne aufgetreten und lässt Wissenschaftler darüber rätseln, welche verborgene Komplexität dieses Verhalten antreibt.

Eine aktuelle Studie konzentrierte sich auf den Kern von Zirconium-94, einem Isotop, das dieses seltsame Verhalten aufweist, um der Quelle des Mysteriums auf den Grund zu gehen. Die Forscher, die an Institutionen in Rumänien und Marokko arbeiteten, wandten sich einem hochentwickelten Rahmenwerk namens Bohr-Mottelson-Modell zu, das den Kern als ein kollektives System beweglicher Teile behandelt. Anstatt ein einfaches, glattes Potenzial zu verwenden, um die Kräfte zu beschreiben, die den Kern zusammenhalten, verwendeten sie ein komplexeres Potenzial sechster Ordnung. Dieses mathematische Werkzeug ermöglichte es ihnen, ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten zu untersuchen, insbesondere nach Szenarien zu suchen, in denen der Kern nicht nur in einer Form vibriert, sondern tatsächlich zwei oder mehr verschiedene Formen gleichzeitig beherbergt. Dieses Phänomen, die Formkoexistenz genannt, legt nahe, dass ein einzelner Kern gleichzeitig eine sphärische Konfiguration und eine deformierte unterstützen kann, wobei die verschiedenen Formen miteinander verschmelzen, um die beobachteten Energieniveaus zu erzeugen.

Das Team wandte ihr Modell auf die niedrigsten Energiezustände von Zirconium-94 an und verglich ihre Berechnungen mit den aktuellsten verfügbaren experimentellen Daten. Sie fanden heraus, dass eine einzige, einfache Beschreibung des Kerns nicht ausreichte, um das vollständige Bild zu erklären. Stattdessen deuteten die Daten auf ein dreifaches Formkoexistenz-Szenario hin. Der niedrigste Energiezustand, der Grundzustand, verhält sich wie eine nahezu perfekte Kugel. Jedoch gehört der erste angeregte Zustand mit einem Spin von vier, einer spezifischen Art von Drehimpuls, eindeutig zu einer anderen Familie: Er ist geformt wie ein gestrecktes, axial symmetrisches Oval. Der Energietransition zwischen diesen beiden spezifischen Zuständen ist das, was die Anomalie erzeugt. Da der Kern von einer sphärischen zu einer gestreckten ovalen Form springen muss, wird die Wahrscheinlichkeit dieses Übergangs signifikant unterdrückt, was zu dem ungewöhnlich niedrigen Wert führt, der Wissenschaftler jahrelang vor Rätsel stellte.

Doch die Geschichte endete dort nicht. Als die Forscher andere angeregte Zustände untersuchten, speziell jene mit Null und zwei Einheiten an Spin, verschob sich das Bild erneut. Diese Zustände passten nicht zum einfachen Oval-Modell. Stattdessen verhielten sie sich, als sei der Kern dynamisch instabil, schwankend auf eine Weise, die auf eine triaxiale Deformation hindeutet, bei der die Form weder eine perfekte Kugel noch ein einfaches Oval ist, sondern etwas komplexeres, das in drei Dimensionen wackelt. Die Studie ergab, dass der zweite angeregte Null-Spin-Zustand und der zweite angeregte Zwei-Spin-Zustand von diesem triaxialen Charakter dominiert werden, obwohl sie immer noch eine kleine Mischung der sphärischen Form bewahren. Diese Mischung ist entscheidend, da sie erklärt, warum bestimmte Energietransitionen zwischen diesen Zuständen so schwach sind, was die experimentellen Beobachtungen erklärt, die ein Modell mit nur einer Form nicht hätte erfassen können.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass der Schlüssel zum Verständnis von Zirconium-94 nicht darin besteht, zwischen einer sphärischen, einer ovalen oder einer triaxialen Form zu wählen, sondern anzuerkennen, dass alle drei innerhalb desselben Kerns existieren. Die Anomalie im Energietransition ist das direkte Resultat des Wechsels des Kerns vom sphärischen Grundzustand zum oval geformten vierten Zustand, der durch eine signifikante Energiebarriere getrennt ist, die den Sprung schwierig macht. Währenddessen tanzen die anderen Zustände zum Rhythmus einer triaxialen Bewegung. Diese dreifache Koexistenz liefert eine vollständige Erklärung für die Energieniveaus und die Stärke der elektromagnetischen Transitionen, die im Labor beobachtet wurden. Obwohl das aktuelle Modell den Großteil der Daten erfolgreich reproduziert, merkten die Forscher an, dass einige Transitionen sich weiterhin nur schwer perfekt beschreiben lassen, was darauf hindeutet, dass in Zukunft ein noch allgemeineres Modell benötigt werden könnte, um alle drei Formkonfigurationen auf derselben Ebene zu behandeln. Für den Moment jedoch bietet die Studie eine klare und überzeugende Erklärung für ein langjähriges nukleares Rätsel und zeigt, dass das Innere eines Atoms weitaus vielseitiger und komplexer sein kann, als man zuvor angenommen hatte.