Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Este artículo reporta la primera medición de la vida media del estado $0^+_3$ en $^{118}$Sn mediante captura de neutrones térmicos, donde la fuerza de transición $E0$ mejorada observada proporciona evidencia convincente de coexistencia de múltiples formas, un hallazgo corroborado por cálculos teóricos que predicen tres formas nucleares distintas en los isótopos de Sn.

Lo esencial

Imagine el núcleo de un átomo como una pequeña y bulliciosa pista de baile. Por lo general, en ciertos átomos "semimágicos" como el Estaño (Sn), los bailarines (protones y neutrones) prefieren permanecer quietos en un círculo perfecto y redondo. Esta es su forma cómoda y esférica.

Sin embargo, esta nueva investigación revela que en los isótopos de estaño alrededor de la masa 118, la pista de baile está realmente albergando una fiesta salvaje donde tres estilos de baile diferentes ocurren exactamente al mismo tiempo. Este fenómeno se denomina "coexistencia de múltiples formas".

Aquí tienes un desglose sencillo de lo que descubrieron los científicos:

1. El misterio de los bailarines "intrusos"

Durante mucho tiempo, los físicos supieron que los átomos de estaño podían cambiar a veces de una forma redonda a una forma estirada, similar a un balón de fútbol (llamada "prolata"). Pensaban que esto era simplemente un cambio sencillo entre dos estilos: Redondo vs. Balón de fútbol.

Pero faltaba una pieza del rompecabezas. En el átomo de Estaño-118, existe un estado excitado específico (un movimiento de baile de alta energía) llamado estado $0^+_3$. Los científicos sabían que existía, pero no sabían cuánto duraba antes de cambiar. Sin conocer su "vida media", no podían determinar si era un tercer estilo de baile distinto o simplemente una mezcla desordenada de los otros dos.

2. El experimento del cronómetro

Para resolver esto, el equipo fue a un reactor de investigación en Francia (el Institut Laue-Langevin). Actuaron como fotógrafos de alta velocidad.

• La preparación: Bombardearon un objetivo de Estaño-117 con neutrones de movimiento lento. Cuando un neutrón era capturado, convertía el átomo en Estaño-118 en un estado superexcitado.
• La carrera: A medida que el átomo se calmaba, emitía rayos gamma (destellos de luz). Los científicos utilizaron detectores especiales (cristales LaBr3) que actúan como cronómetros increíblemente rápidos.
• La medición: Cronometraron exactamente cuánto tiempo existió el misterioso estado $0^+_3$ antes de desintegrarse. Descubrieron que duraba aproximadamente 74 picosegundos (es decir, 0,000000000074 segundos).

3. La evidencia del "cambiacambios"

Conocer la vida media les permitió calcular cuánto cambiaba la forma del átomo durante sus transiciones.

• La analogía: Imagina dos bailarines. Si son muy similares, pueden cambiar de lugar fácilmente sin mucho esfuerzo. Si son muy diferentes (uno es una bailarina, el otro un breakdancer), cambiar entre ellos es un salto enorme y dramático.
• El resultado: Los científicos midieron un "salto" masivo (llamado fuerza de transición E0) entre el segundo estado excitado y el tercer estado excitado. Este gran salto demostró que estos dos estados son formas fundamentalmente diferentes.

4. La coexistencia de tres vías

Al combinar sus nuevos datos de cronometraje con simulaciones por computadora avanzadas (que actúan como un laboratorio de física virtual), concluyeron que el Estaño-118 (y sus vecinos Estaño-116 y Estaño-120) no solo cambia entre dos formas. Está albergando tres formas distintas simultáneamente:

1. La bola esférica: El estado fundamental normal y redondo.
2. El balón prolato: Una forma estirada (como un balón de rugby).
3. La tortilla oblata: Una forma aplanada (como una tortilla o un frisbee).

El artículo sugiere que los estados "intrusos" (los excitados) son en realidad estas diferentes formas luchando por el dominio. El estado $0^+_2$ es mayoritariamente el "Balón", mientras que el estado $0^+_3$ recién medido es probablemente la "Tortilla".

Por qué esto es importante

Este es un descubrimiento raro. Por lo general, solo vemos dos formas coexistiendo en un núcleo. Encontrar tres en el mismo átomo es como encontrar una sola habitación donde una mesa redonda, una mesa de comedor larga y una mesa de centro plana están todas ocupando el mismo espacio al mismo tiempo.

Los investigadores utilizaron un modelo informático sofisticado (llamado Método de Coordenadas Generadoras) para confirmar esto. El modelo mostró que estas tres formas surgen naturalmente de la forma en que interactúan los protones y los neutrones, sin necesidad de ajustar las matemáticas para que encajen.

En resumen: Los científicos finalmente cronometraron un estado atómico fugaz, y ese cronometraje demostró que los átomos de estaño no son solo redondos o estirados; son cambiacambios complejos capaces de mantener tres formas distintas al mismo tiempo.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Coexistencia de Múltiples Formas cerca de $^{118}$Sn: Primera Medida de Vida Media del Estado $0^+_3$

Planteamiento del Problema
Los isótopos de estaño (Sn) semimágicos ($Z=50$) constituyen un sistema de referencia para el estudio de la estructura nuclear, particularmente en lo que respecta a la coexistencia de formas. En la región del centro de la capa de neutrones ($^{112-118}$Sn), los estados excitados $0^+$ alrededor de 2 MeV se interpretan como originados por excitaciones de dos partículas-dos huecos (2p-2h) de protones a través del salto de capa en $Z=50$, formando bandas intrusas con deformación prolata distinta del estado fundamental esférico. Si bien las transiciones monopolo eléctrico (E0) mejoradas entre los cabezas de banda $0^+$ sirven como firmas espectroscópicas de la mezcla de formas, una comprensión completa de la coexistencia en $^{118}$Sn ha sido obstaculizada por datos de vida media incompletos. Específicamente, la vida media del tercer estado excitado $0^+$ ($0^+_3$) en $^{118}$Sn era previamente desconocida, disponiéndose únicamente de límites amplios ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$). Esta falta de información precisa sobre la vida media impidió el cálculo de la fuerza de transición E0 $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, dejando sin resolver la naturaleza de la mezcla entre los estados $0^+_2$ y $0^+_3$ y la posible existencia de múltiples formas distintas.

Metodología
Para abordar esta brecha, los autores realizaron una medida directa de la vida media del estado $0^+_3$ en $^{118}$Sn utilizando la técnica de cronometraje rápido tras la captura de neutrones térmicos.

• Experimento: El experimento se llevó a cabo en el Institut Laue-Langevin (ILL) utilizando el Espectrómetro de Rayos Gamma Prompt de Productos de Fisión (FIPPS). Un objetivo en polvo enriquecido al 89.2% en $^{117}$Sn fue irradiado con neutrones térmicos.
• Detección: El montaje utilizó 15 detectores de cronometraje rápido $LaBr_3$ (posicionados a $\approx 45^\circ$ y $135^\circ$) para medidas de tiempo y 8 detectores clover de Germanio de Alta Pureza (HPGe) con supresión Compton (a $90^\circ$) para resolución de energía.
• Análisis de Datos: Los estados fueron poblados mediante la reacción $(n, \gamma)$. La vida media se extrajo utilizando el método de la Diferencia de Centroides Generalizada (GCD). El análisis se centró en coincidencias triple-gamma ($\gamma\gamma\gamma$) para aislar la cascada de desintegración desde el estado de captura ($S_n = 9326$ keV) hasta el estado $0^+_3$ y su desintegración posterior. Mediante la selección de la línea gamma primaria (4765 keV) y transiciones específicas de alimentación/desintegración (2504 keV y 827 keV), los autores minimizaron el fondo. Se midió la diferencia de centroides ($\Delta C$) entre las distribuciones de tiempo "retrasadas" y "anti-retrasadas" y se corrigió por la diferencia de respuesta instantánea (PRD) para extraer la vida media.
• Modelado Teórico: Para interpretar los resultados experimentales, los autores emplearon la Teoría del Funcional de Densidad Covariante de Referencia Múltiple (MR-CDFT) combinada con el Método de Coordenadas Generadoras (GCM). Este enfoque utiliza un funcional de densidad de energía relativista sin ajustar parámetros libres a las energías de excitación experimentales. Construye funciones de onda colectivas como superposiciones de estados de campo medio que conservan la simetría con deformaciones cuadrupolares variables ($\beta_2$) para describir la mezcla y coexistencia de formas.

Resultados Clave

• Medida de Vida Media: La vida media del estado $0^+_3$ en $^{118}$Sn se determinó en $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. Este valor se derivó de un promedio ponderado de medidas que involucraron tres cascadas diferentes (rayos gamma primarios a 4765, 4407 y 4972 keV).
• Fuerzas de Transición: Utilizando la vida media medida, se calculó la probabilidad de transición reducida $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ como $0.80(14)$ U.W. Combinado con los datos existentes de $X(E0/E2)$, se determinó la fuerza de transición E0:
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2.0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) milimillones).
• Acuerdo Teórico: Los cálculos MR-CDFT reprodujeron con éxito los espectros de energía de bajo nivel y las fuerzas de transición para $^{116,118,120}$Sn. Los cálculos revelaron que los estados $0^+_1$ son casi esféricos ($\pi 1p-1h$), los estados $0^+_2$ están dominados por formas prolata ($\pi 4p-4h$ en $^{116,118}$Sn), y los estados $0^+_3$ corresponden a formas oblata (evolucionando de $\pi 2p-2h$ a $\pi 3p-3h$). Los resultados teóricos confirmaron una gran diferencia de forma ($\Delta \beta_2 > 0.24$) entre los estados $0^+_2$ y $0^+_3$.

Significado y Afirmaciones
El significado principal de este trabajo es la primera confirmación experimental de la coexistencia de múltiples formas en el núcleo semimágico $^{118}$Sn.

• Evidencia de Tres Formas: El gran valor observado de $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ de 150(30) milimillones proporciona evidencia convincente de una mezcla fuerte entre estados de formas significativamente diferentes. Combinado con el estado fundamental esférico conocido y la banda intrusa prolata, los autores proponen la coexistencia de tres formas distintas: esférica, prolata y oblata.
• Tendencia Sistemática: Este hallazgo extiende la observación de la coexistencia de múltiples formas a los isótopos vecinos $^{116}$Sn y $^{120}$Sn, sugiriendo un fenómeno sistemático a través de la región del centro de la capa de neutrones de los isótopos de Sn.
• Validación del Modelo: El estudio destaca la necesidad de incluir excitaciones de protones a través de la capa cerrada en $Z=50$ y fluctuaciones de forma en los modelos teóricos. El éxito del enfoque MR-CDFT en reproducir estas complejas fuerzas de transición contrasta con los estudios de modelo de capas que utilizan un núcleo en $Z=50$, los cuales no logran capturar estas características.
• Contexto Más Amplio: Los autores sugieren que la coexistencia de múltiples formas (involucrando tres o más formas) puede ser más común de lo que se reconocía anteriormente, estableciendo paralelismos con fenómenos similares observados en los isótopos de Ni, Pb y Cd.

El artículo concluye que, aunque el MR-CDFT reproduce bien las fuerzas de transición, la sobreestimación de las energías de excitación sugiere la necesidad de refinamientos futuros, como la inclusión de componentes impares en el tiempo o configuraciones explícitas de cuasipartículas no colectivas. Los autores señalan que se requiere más trabajo experimental, como reacciones de fusión-evaporación para buscar bandas rotacionales construidas sobre los estados $0^+_3$ y estudios de excitación Coulombiana para mapear el plano $(\beta_2, \gamma)$, para establecer firmemente el escenario de coexistencia de múltiples formas.