Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

Tief im Herzen eines jeden Atoms liegt ein Kern, ein dichter Cluster aus Protonen und Neutronen, der sich weniger wie ein statischer Klumpen Ton und vielmehr wie ein Tropfen Flüssigkeit verhält, der sich dehnen, stauchen und vibrieren kann. Jahrzehntelang haben Physiker diese winzigen Kerne untersucht, um zu verstehen, wie sie zusammengehalten werden und wie sie ihre Form verändern. Eines der faszinierendsten Rätsel auf diesem Gebiet betrifft Atome, die scheinbar gleichzeitig in zwei verschiedenen Formen existieren. Stellen Sie sich einen Kern vor, der perfekt rund sein kann, wie eine Billardkugel, und dann plötzlich in eine Football-Form zerfließt, ohne dabei seine Teilchenzahl zu ändern. Dieses Phänomen, bekannt als Formkoexistenz, fordert unser Verständnis davon heraus, wie Materie auf den kleinsten Skalen organisiert ist. Wissenschaftler konzentrieren sich auf eine spezifische Familie von Atomen, die Zinn-Isotope, da sie eine lange, stabile Kette von Beispielen bieten, in denen diese Formänderungen beobachtet und gemessen werden können. Durch das Studium der Art und Weise, wie diese Atome zwischen ihren verschiedenen Formen übergehen, hoffen Forscher, die grundlegenden Regeln zu entschlüleln, die die Struktur aller Materie bestimmen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie wandte ein Team von Physikern seine Aufmerksamkeit einer spezifischen Gruppe von Zinnatomen zu, die von den leichteren Versionen mit Massenzahlen von 114 bis zu den schwereren mit der Massenzahl 122 reichen. Sie waren besonders an einer seltsamen Anomalie interessiert, die in einigen dieser Atome gemeldet wurde: eine Messung, die darauf hindeutete, dass sich der Kern auf eine Weise verhielt, die den Standarderwartungen widersprach. Konkret fiel die Wahrscheinlichkeit des Sprungs, wenn diese Atome von einem Energieniveau zu einem anderen sprangen, nicht dem glatten Muster an, das bei anderen Elementen zu beobachten ist. Stattdessen fielen die Zahlen unter einen kritischen Schwellenwert, was darauf hindeutete, dass sich die interne Struktur des Atoms drastischer veränderte, als es bisher von jedem vorhergesagt worden war. Um dieses Rätsel zu lösen, entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell, das den Kern nicht als eine Sammlung einzelner Teilchen betrachtet, sondern als ein einziges Objekt, das sich durch eine Energielandschaft bewegt. Sie stellten sich diese Landschaft als ein Tal mit zwei deutlichen Senken oder Vertiefungen vor. Eine Senke repräsentiert eine runde, sphärische Form, während die andere eine gestreckte, deformierte Form repräsentiert. Der Kern kann sich in entweder einer Senke niederlassen oder in einem Zustand existieren, der eine Mischung aus beiden ist.

Die Forscher nutzten diese Doppelmulhen-Landschaft, um das Verhalten der Zinnatome zu simulieren, wobei sie die Form des Tals anpassten, um zu sehen, ob sie die im Labor gemessenen tatsächlichen Energieniveaus reproduzieren konnten. Sie fanden heraus, dass ihr Modell durch eine sorgfältige Abstimmung der Tiefe und Breite dieser beiden Senken in der Lage war, die experimentellen Daten für die verschiedenen Zinn-Isotope genau abzubilden. Die Simulationen zeigten, dass sich die leichteren und schwereren Atome in der Gruppe, wie etwa jene mit den Massenzahlen 114 und 122, ganz anders verhalten als die in der Mitte. In den leichteren Atomen beginnt der Kern nahezu rund und erfährt, während er an Energie gewinnt und schneller rotiert, einen plötzlichen und dramatischen Übergang zu einer stark gestreckten Form. Diese abrupte Strukturänderung bedeutet, dass die Welle, die den runden Zustand beschreibt, und die Welle, die den gestreckten Zustand beschreibt, sich nicht gut überschneiden. Da diese beiden Formen so unterschiedlich sind, hat das Atom Schwierigkeiten, den Übergang zwischen ihnen zu vollziehen, was zu den ungewöhnlich niedrigen Wahrscheinlichkeitswerten führt, die Wissenschaftler rätseln ließen.

Für die schwereren Atome mit den Massenzahlen 120 und 122 ist die Situation etwas anders, führt aber zu einem ähnlichen Ergebnis. Hier existiert der Kern in einem Zustand, in dem die runde und die gestreckte Form fast gleichermaßen wahrscheinlich sind, was eine gespaltene Persönlichkeit erzeugt, bei der das Atom gleichzeitig in zwei sehr unterschiedlichen Konfigurationen ist. Diese Dualität stört ebenfalls den Übergang zwischen den Energieniveaus und lässt die Wahrscheinlichkeit nahe an denselben niedrigen Schwellenwert fallen. Die Atome in der Mitte der Gruppe, mit den Massenzahlen 116 und 118, zeigen ein eher verschmolzenes Verhalten, bei dem die beiden Formen sanfter ineinander übergehen und so den scharfen Abfall der Wahrscheinlichkeit vermeiden. Die Studie untersuchte auch, wie diese Formen miteinander vermischen. In einigen Fällen bleiben die runden und gestreckten Konfigurationen deutlich und getrennt, ein Phänomen, das als Formkoexistenz ohne Mischung bezeichnet wird. In anderen Fällen verschmelzen sie zusammen. Die Forscher fanden heraus, dass die spezifische Art und Weise, wie diese Formen sich mischen oder getrennt bleiben, bestimmt, wie stark die Übergänge zwischen den Energieniveaus sind.

Durch die erfolgreiche Abstimmung ihres Modells auf die realen Daten lieferte das Team eine klare Erklärung für die anomalen Messungen. Sie demonstrierten, dass der seltsame Abfall der Übergangswahrscheinlichkeit kein zufälliger Fehler oder ein Zeichen einer fehlerhaften Theorie ist, sondern eine direkte Folge davon, dass der Kern seine Form zu schnell ändert oder gleichzeitig in zwei widersprüchlichen Formen existiert. Die Studie bestätigt, dass die Grundzustände dieser Zinnatome nahezu sphärisch sind, während ihre angeregten Zustände gut deformiert sind. Der Schlüssel zur Anomalie liegt in dem Zustand, in dem das Atom den höchsten Spin in der Hauptgruppe aufweist, welcher als Brücke zwischen der runden und der gestreckten Welt fungiert. Wenn diese Brücke auf einem Fundament aus zwei sehr unterschiedlichen Formen gebaut ist, wird die Verbindung schwach und die Übergangswahrscheinlichkeit sinkt. Diese Arbeit bietet eine detaillierte Karte darüber, wie sich Kernformen über eine Kette von Elementen entwickeln, und zeigt, dass sich die interne Architektur eines Atoms mit nur wenigen hinzugefügten Teilchen dramatisch verschieben kann, was unser Verständnis der Kräfte, die den Atomkern zusammenhalten, neu formt.