⚛️ nuclear experiments

Low lying excitations in $^{150}$ Pm

Este estudio investiga las excitaciones de baja energía del núcleo impar-impar $^{150}$ Pm utilizando reacciones inducidas por protones y espectroscopía de rayos gamma para establecer un nuevo esquema de niveles con 15 niveles nuevos, determinar asignaciones tentativas de espín-paridad y tiempos de vida, e interpretar los resultados mediante cálculos de base grande y del modelo de la capa proyectada, revelando un estado fundamental $1^-$ , un estado $2^-$ cercano y un isómero $6^-$ de baja energía.

Autores originales: A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samant

Publicado 2026-06-25

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CC BY 4.0

Autores originales: A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samanta, S. Chatterjee, R. Raut, S. S. Ghugre, J. A. Sheikh

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el núcleo atómico no como una bola sólida, sino como una pista de baile bulliciosa y caótica donde los protones y los neutrones son los bailarines. En la mayoría de los núcleos, estos bailarines se mueven en patrones perfectos y predecibles. Pero en ciertos núcleos "transicionales", como el estudiado en este artículo (Prometio-150, o 150Pm), la pista de baile es un poco inestable. Se encuentra justo en el límite entre una forma esférica (como una bola lisa) y una forma deformada (como un balón de rugby).

Este artículo es esencialmente un informe de un equipo de físicos nucleares que fue a esta pista de baile específica para averiguar exactamente cómo se mueven los bailarines, cuáles son sus giros y cuánto tiempo permanecen en ciertas poses antes de cambiar.

Aquí hay un desgrecado de su viaje y sus hallazgos:

1. El desafío: Atrapar un fantasma

Estudiar el 150Pm es como intentar fotografiar un fantasma que solo aparece durante unas pocas horas.

El problema: Este átomo es inestable y no existe naturalmente en grandes cantidades. No puedes simplemente desenterrarlo; tienes que crearlo.
El método: El equipo utilizó un acelerador de partículas gigante (un ciclotrón) para disparar protones (balas diminutas y rápidas) contra un blanco de Neodimio-150. Cuando los protones golpeaban el blanco, expulsaban un neutrón y convertían el átomo en 150Pm.
La detección: A medida que estos nuevos átomos se asentaban, emitían destellos de luz llamados rayos gamma. El equipo utilizó un sofisticado conjunto de cinco detectores "Clover" (que parecen pétalos de flor) y un detector especial de baja energía para capturar estos destelos. Es como tener un equipo de cámaras de alta velocidad intentando capturar el momento exacto en que un bailarín gira y la luz que emite.

2. Clasificando el caos: El descubrimiento de las "dos agrupaciones"

Los detectores registraron miles de destellos. La parte complicada era que el experimento también creó accidentalmente un átomo ligeramente diferente (Prometio-149), que también estaba emitiendo destellos. Era como intentar clasificar un montón de canicas rojas y azules mezcladas.

El truco: El equipo realizó el experimento a dos velocidades diferentes (energías del haz). Notaron que las "canicas rojas" (149Pm) se comportaban de una manera, mientras que las "canicas azules" (150Pm) se comportaban de otra. Al comparar los datos de las dos velocidades, pudieron filtrar el ruido y aislar las señales verdaderas del 150Pm.
El resultado: Lograron mapear el "esquema de niveles". Piensa en esto como dibujar el plano de un edificio. Encontraron 15 nuevas habitaciones (niveles de energía) y 16 nuevos pasillos (transiciones de rayos gamma) que nadie había visto antes.

3. Los movimientos de baile: Espín y paridad

En la física nuclear, cada nivel de energía tiene un "espín" (qué tan rápido está rotando) y una "paridad" (si es una imagen especular de sí mismo o si está invertido).

El estado fundamental: La pregunta más importante era: ¿Cuál es la pose "por defecto" de este átomo? Estudios previos discutían si era una pose de "1 menos" o "2 menos".
El veredicto: Al combinar sus nuevos datos con simulaciones por computadora (Modelos de Capas), el equipo concluyó que el estado fundamental es 1 menos.
El vecino cercano: También encontraron un estado muy cercano al estado fundamental (a solo unos 50 keV de distancia, lo que es como un susurro en una habitación ruidosa) que tiene un espín de 2 menos.
El isómero: Identificaron un estado "metaestable" (un isómero) con un espín de 6 menos. Piensa en esto como un bailarín que se queda atrapado en una pose difícil por una fracción de segundo antes de volver a su posición original.

4. Cronometrando el baile: Tiempos de vida

El equipo quería saber cuánto tiempo permanece el átomo en estos "cuartos" excitados antes de bajar al piso de la planta baja.

La técnica: Utilizaron un método llamado "Diferencia de Centroide Generalizada". Imagina a dos corredores que comienzan con un ligero retraso entre sí. Al medir la pequeña diferencia en el momento en que cruzan la línea de meta, puedes calcular su velocidad.
El hallazgo: Midieron la "vida media" de dos niveles específicos. Ambos eran increíblemente rápidos, durando menos de 2 nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Esto nos dice que estos estados son muy inestables y caen casi instantáneamente.

5. La simulación por computadora: ¿Coincidió la teoría con la realidad?

Para dar sentido a sus observaciones, el equipo ejecutó dos tipos de simulaciones por computadora:

El Modelo Esférico: Trata al núcleo como una bola lisa. Predijo con éxito el estado fundamental y los estados cercanos de baja energía, confirmando que las partículas individuales (protones y neutrones) son los principales bailarines aquí.
El Modelo de Capas Proyectado: Trata al núcleo como un balón de rugby ligeramente aplastado. Este modelo ayudó a explicar las "estructuras de bandas" —grupos de niveles de energía que parecen una escalera—. Sugirió que estos niveles se forman por pares de cuasipartículas (parejas de protones y neutrones) bailando juntas.

Resumen

En términos sencillos, este artículo es un mapa detallado de un núcleo atómico transicional y muy inestable. El equipo:

Creó el átomo usando un acelerador de partículas.
Filtró el ruido de fondo para encontrar 15 nuevos niveles de energía.
Determinó que el estado "por defecto" de este átomo es un espín de 1 menos.
Encontró un estado 2 menos cercano y un isómero 6 menos de mayor energía.
Midió que estos estados excitados desaparecen en menos de 2 nanosegundos.
Confirmó que los modelos de partículas individuales y de parejas de bailarines pueden explicar la mayor parte de lo que vieron.

El artículo concluye que, si bien han dado un gran salto en la comprensión de este núcleo específico, la "pista de baile" es compleja y se necesitan mediciones de mayor resolución para comprender completamente los estados de paridad positiva (el otro lado de la pista de baile) que los modelos actuales no pudieron predecir del todo.

Resumen Técnico: Excitaciones de Baja Energía en $^{150}\text{Pm}$

Planteamiento del Problema
La estructura nuclear de los núcleos impares-impares en la región de transición $A \sim 150$ , específicamente el $^{150}\text{Pm}$ ( $Z=61, N=89$ ), sigue siendo poco comprendida a pesar de su importancia en la transición de fase cuántica de forma (QPT) de vibradores esféricos a rotores deformados. Este núcleo se encuentra entre la simetría $X(5)$ que exhiben sus vecinos par-par $^{150}\text{Nd}$ y $^{152}\text{Sm}$ . Los datos experimentales existentes sobre el $^{150}\text{Pm}$ son escasos, con informes conflictivos con respecto al espín-paridad del estado fundamental ( $J^\pi$ ). Mientras que algunos estudios sugieren un estado fundamental $1^-$ basado en mediciones de intensidad de la desintegración $\beta$ , otros proponen un estado fundamental $2^-$ basado en datos de la reacción $(^3\text{He}, t)$ , asumiendo a menudo la ausencia de un estado $1^-$ cercano. Además, la existencia y naturaleza de los isómeros de baja energía, que podrían impactar la nucleosíntesis mediante el proceso de captura de neutrones lentos, y el desarrollo de estructuras de bandas en este sistema impar-impar requieren aclaración. La escasez de datos se atribuye a la dificultad de poblar estos estados mediante blancos estables y a la falta de rutas de desintegración $\beta adecuadas.

Metodología
El estudio utilizó la reacción inducida por protones $^{150}\text{Nd}(p,n)^{150}\text{Pm}$ en el Centro de Ciclotrón de Energía Variable (VECC), Kolkata. Un blanco altamente enriquecido ( $97.65\%$ ) de $^{150}\text{Nd}$ fue irradiado con haces de protones a dos energías, 8 MeV y 9 MeV. Los rayos $\gamma$ de desintegración fueron detectados utilizando el Indian National Gamma Array (INGA), que comprende cinco detectores Clover HPGe con supresión de BGO y un detector planar de Ge segmentado (LEPS).

El análisis de datos involucró:

Análisis de la Función de Excitación: Comparación de los rendimientos de rayos $\gamma$ de singlete a 8 MeV y 9 MeV para distinguir las transiciones pertenecientes al $^{150}\text{Pm}$ de las del contaminante $^{149}\text{Pm}$ , utilizando un factor de normalización basado en la línea de 211 keV del $^{149}\text{Pm}$ .
Análisis de Coincidencia: Construcción de matrices $\gamma-\gamma$ simétricas (Clover-Clover) y asimétricas (Clover-LEPS) para establecer esquemas de niveles y ubicar nuevas transiciones.
Medición de Intensidad: Determinación de intensidades relativas utilizando proyecciones totales y con compuerta (gated) de la matriz $\gamma-\gamma$ .
Asignación de Espín-Paridad: Empleo de un análisis limitado de distribución angular (usando detectores a $86.5^\circ$ , $93.5^\circ$ y $125^\circ$ ) para extraer coeficientes de distribución angular ( $a_2$ ) e inferir multipolaridades.
Análisis de Vida Media: Estimación de las vidas medias de dos niveles excitados utilizando la técnica de Diferencia de Centroide Generalizada (GCD) con detectores Ge en el rango de nanosegundos, calibrada contra las vidas medias conocidas en $^{149}\text{Pm}$ y $^{150}\text{Sm}$ .
Modelado Teórico: Realización de cálculos del Modelo de Capas Esféricas de Gran Base (LBSM) utilizando NuShellX@MSU con un núcleo inerte de $^{132}\text{Sn}$ para restringir las propiedades del estado fundamental. Adicionalmente, se realizaron cálculos del Modelo de Capas Proyectado (PSM) utilizando un campo medio deformado para interpretar las estructuras de bandas y las configuraciones de cuasipartículas.

Contribuciones Clave y Resultados

Construcción del Esquema de Niveles: El estudio identificó y ubicó 16 nuevos rayos $\gamma$ y 15 nuevos niveles de energía en el esquema de niveles del $^{150}\text{Pm}$ . Tres rayos $\gamma$ previamente conocidos (76.6, 159.2 y 229.5 keV) fueron reposicionados dentro del esquema.
Asignación del Estado Fundamental: Basándose en los datos de distribución angular, las predicciones del modelo de capas y argumentos fenomenológicos, el estado fundamental del $^{150}\text{Pm}$ se asigna con un espín-paridad de $1^-$ . Se propone un estado $2^-$ muy cercano a aproximadamente 50 keV (específicamente 31 keV en los cálculos del modelo de capas), lo que puede explicar las asignaciones conflictivas previas.
Estado Isomérico: Se identifica un estado isomérico $6^-$ de baja energía. Un segundo grupo de niveles (incluyendo 177.2+X, 336.4+X y 454.8+X keV) se ubica tentativamente en este estado isomérico, distinto de la banda del estado fundamental.
Estructuras de Bandas: Los datos revelan estructuras emergentes de tipo banda. Se propusieron bandas de paridad negativa (B1, B2, B3) y bandas de paridad positiva (B4, B5). La banda B1 se identifica como la secuencia yrast.
Mediciones de Vida Media: Las vidas medias para los niveles de 128.3 keV y 177.2+X keV se estimaron en menos de 2 ns utilizando la técnica GCD.
Interpretación Teórica:
- Modelo de Capas: El cálculo LBSM reprodujo con éxito el estado fundamental $1^-$ y las configuraciones dominantes protón-neutrón ( $\pi g_{7/2} \otimes \nu f_{7/2}$ ) para los estados de paridad negativa de baja energía. Sin embargo, predijo una densidad de niveles menor a la observada y no logró predecir los estados de paridad positiva de baja energía, probablemente debido a las truncaciones del espacio del modelo.
- Modelo de Capas Proyectado: Los cálculos del PSM, incorporando deformación ( $\epsilon \approx 0.208$ ), proporcionaron una descripción razonable de las estructuras de bandas rotacionales y las configuraciones de cuasipartículas, apoyando la interpretación de las secuencias observadas como bandas de cuasipartículas.

Significancia
El artículo afirma que este trabajo proporciona el esquema de niveles de baja energía más completo para el $^{150}\text{Pm}$ hasta la fecha, resolviendo las ambigüedades respecto al espín-paridad del estado fundamental al confirmar la asignación $1^-$ . La identificación de un isómero $6^-$ de baja energía y la caracterización de las estructuras de bandas emergentes ofrecen información crítica sobre la interacción entre las excitaciones de partícula única y el comportamiento rotacional colectivo en núcleos impares-impares cerca de la transición de forma $N=90$ . Los resultados sirven como un punto de referencia para comprender la simetría del punto crítico en esta región de masa y resaltan la necesidad de espectroscopía de alta resolución para mapear completamente la estructura de estos núcleos de transición. Los autores señalan que, si bien los datos actuales respaldan las asignaciones propuestas, se requieren mediciones futuras que involucren reacciones de evaporación-fusión o de transferencia con capacidades de distribución angular y polarización para realizar asignaciones de espín-paridad definitivas.