⚛️ nuclear experiments

Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

Utilizando el modelo convencional de la capa esférica y el nuevo modelo de la capa proyectada triaxial, este estudio calcula las funciones de fuerza gamma M1 y E2 a través de varios isótopos para revelar que la división y fragmentación inducida por la deformación de los multipletes de partícula única generan una estructura de radiación magnética bimodal de baja energía que comprende la resonancia de la tijera y el pico LEMAR.

Autores originales: Stefan Frauendorf, Ronald Schwengner, Gowhar Bhat, Javid Sheikh

Publicado 2026-09-10

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CC BY 4.0

Autores originales: Stefan Frauendorf, Ronald Schwengner, Gowhar Bhat, Javid Sheikh

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En el corazón de cada átomo, los protones y los neutrones se aferran entre sí en una multitud densa y caótica. Cuando estos núcleos atómicos se excitan, tal vez por una colisión o una desintegración radiactiva, no se quedan simplemente quietos; liberan su exceso de energía mediante la emisión de destellos de luz, específicamente rayos gamma. Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo estos núcleos absorben dicha luz, un proceso dominado por una vibración colectiva masiva conocida como la resonancia de dipolo gigante, donde los protones y los neutronos se balancean de un lado a otro contra el otro como dos fluidos opuestos. Sin embargo, el proceso inverso —cómo un núcleo libera energía mientras se enfría desde un estado de alta energía— ha seguido siendo un misterio más elusivo. Durante décadas, una idea prevaleciente sugería que la forma en que un núcleo emite luz debería depender solo de la energía de la propia luz, independientemente de qué tan excitado estuviera el núcleo al principio. Esta suposición, conocida como la hipótesis de Brink-Axel, parecía ser cierta hasta que observaciones recientes revelaron un giro sorprendente: a energías muy bajas, los núcleos emiten mucha más radiación gamma de la que nadie esperaba, un fenómeno que desafió las viejas reglas.

Un equipo de investigadores se propuso comprender este aumento inesperado en la emisión de luz de baja energía construyendo modelos computacionales detallados de núcleos atómicos a través de una amplia gama de elementos, incluyendo molibdeno, hierro, estaño, germanio y gadolinio. Utilizaron dos marcos teóricos diferentes para simular el comportamiento de estos núcleos: un método tradicional que trata al núcleo como una esfera, y un enfoque más nuevo y complejo que tiene en cuenta los núcleos que se estiran en formas elípticas o triaxiales. Al calcular los millones de transiciones posibles entre los estados de energía dentro de estos núcleos simulados, el equipo trazó exactamente cómo cambia la intensidad de los rayos gamma emitidos a medida que varía la energía de la luz. Su trabajo revela que el comportamiento de esta emisión de luz no es aleatorio, sino que sigue un patrón claro dictado por la forma del núcleo y el número de neutrones que contiene.

Los investigadores descubrieron que en los núcleos que son casi esféricos, la emisión de rayos gamma está dominada por un único y agudo pico de intensidad en energías muy bajas. Lo llaman Radiación Magnética de Baja Energía, o LEMAR. Aparece como un estallido repentino de luz magnética que se desvanece exponencialmente a medida que la energía aumenta. Sin embargo, a medida que los núcleos se deforman más —estirándose en formas similares a un balón de fútbol— una segunda característica emerge junto al pico de baja energía. Esta nueva característica es un bulto ancho de intensidad centrado alrededor de tres millones de electronvoltios, lo que corresponde a un fenómeno bien conocido llamado resonancia de tijeras. En este estado, los protones y los neutrones oscilan uno contra el otro de una manera que se asemeja a la apertura y el cierre de un par de tijeras. El estudio muestra que a medida que la deformación del núcleo aumenta, el pico único de baja energía no desaparece; en su lugar, coexiste con la resonancia de tijeras, creando un perfil bimodal con dos picos distintos de actividad.

Esta transición de un solo pico a un doble pico es impulsada por la estructura interna del núcleo. En un núcleo esférico, los niveles de energía de las partículas se agrupan de una manera que permite una transición de baja energía simple y unificada. Pero cuando el núcleo se deforma, estos grupos de energía se separan, de forma muy similar a como un solo haz de luz se descompone en un espectro de colores al pasar a través de un prisma. Esta división crea una compleja red de posibles transiciones. El pico de baja energía surge de la mezcla caótica de estos estados divididos, mientras que el bulto de la resonancia de tijeras proviene de un tipo específico de movimiento colectivo que solo es posible cuando el núcleo está deformado. Los investigadores observaron que este patrón se mantiene constante en diferentes elementos: en los isótopos más ligeros de hierro y molibdeno, el cambio de un solo pico a un doble pico se correlaciona directamente con el número de neutrones y la forma resultante del núcleo.

El equipo también investigó cómo la naturaleza caótica del núcleo influye en estas emisiones. Descubrieron que el pico de baja energía se caracteriza por una tasa de decaimiento específica que sugiere que los estados subyacentes son altamente complejos y desordenados, similar a un sistema donde la información es mezclada. Este caos es distinto de la temperatura general del núcleo, que es una medida de cuántos estados de energía están disponibles. En la mayoría de los núcleos que estudiaron, el parámetro que describe el decaimiento caótico de la emisión de luz era significativamente menor que la temperatura termodinámica del núcleo, lo que indica que el mecanismo que impulsa la emisión de luz de baja energía es una forma única de desorden que opera de manera diferente a la agitación térmica general de las partículas.

Uno de los hallazgos más significativos concierne a la relación entre la forma del núcleo y la cantidad total de luz que emite. Los investigadores encontraron que la fuerza total de la radiación magnética permanece relativamente constante a medida que el núcleo cambia de forma, pero la distribución de esa fuerza se desplaza drásticamente. En los núcleos esféricos, casi toda la fuerza se concentra en el pico de baja energía. A medida que el núcleo se deforma, una parte de esa fuerza migra al bulto de la resonancia de tijeras a energías más altas, dejando el pico de baja energía algo más débil pero aún presente. Esta redistribución explica por qué algunos núcleos parecen tener una cantidad de luz de baja energía "faltante" en comparación con otros; la luz no ha desaparecido, simplemente se ha movido a un rango de energía diferente.

El estudio también abordó los límites de estos modelos. En los núcleos donde el número de protones y neutrones es casi igual, la emisión de luz de baja energía se ve fuertemente suprimida debido a la conservación de una propiedad llamada isospin, que actúa como una especie de equilibrio interno entre los dos tipos de partículas. En estos casos específicos, el esperado pico de baja energía no logra aparecer, siendo reemplazado por una región plana y débil. Además, aunque las simulaciones por computadora reprodujeron con éxito las tendencias generales observadas en los experimentos, en ocasiones subestimaron la cantidad total de luz emitida, lo que sugiere que los modelos, aunque poderosos, todavía pasan por alto algunas interacciones sutiles entre las partículas.

En última instancia, este trabajo proporciona una imagen unificada de cómo los núcleos atómicos liberan su energía. Confirma que la emisión de rayos gamma no es un proceso estático, sino uno que evoluciona con la forma y la composición del núcleo. La transición de una emisión de pico único simple en núcleos esféricos a una estructura de doble pico compleja en núcleos deformados es una característica robusta de la física nuclear, impulsada por la división de los niveles de energía y la mezcla caótica de los estados de las partículas. Al aclarar estos mecanismos, los investigadores han ofrecido una ventana más clara al mundo cuántico, mostrando cómo la danza colectiva de protones y neutrones determina la luz misma que escapa del núcleo atómico.

Resumen Técnico: Desarrollo de la Función de Fuerza $\gamma$ con el Número de Neutrones

Planteamiento del Problema
El artículo aborda el comportamiento de la función de fuerza $\gamma$ ( $\gamma$ sf), específicamente los componentes M1 y E2, a través de series extendidas de isótopos (Mo, Fe, Sn, Ge y Gd). Un problema central es el "Aumento de Baja Energía" (LE de Low Energy Enhancement) de la $\gamma$ sf de emisión, observado experimentalmente por debajo de 2 MeV. Este fenómeno, denominado posteriormente Radiación Magnética de Baja Energía (LEMAR), parecía entrar en conflicto con la hipótesis de Brink-Axel, que postula que la $\gamma$ sf de los estados excitados es independiente de la energía de excitación. Además, la interacción entre el pico de LEMAR y la Resonancia de Tijera (SR) —un modo de dipolo magnético que típicamente se encuentra alrededor de 3 MeV en núcleos deformados— requiere una explicación teórica unificada sobre cómo la deformación nuclear y la mezcla de configuraciones influyen en estas distribuciones de fuerza.

Metodología
Los autores emplean dos marcos teóricos primarios para calcular la $\gamma$ sf M1 y E2 para diversas cadenas isotópicas:

Modelo de Capas Esférico Convencional (SSM): Utilizado para los isótopos de Mo, Fe, Sn y Ge. Este enfoque calcula las energías y los elementos de matriz de transición ( $B(M1)$ , $B(E2)$ ) para un gran número de estados (por ejemplo, los 40 estados más bajos para $J=0 \dots 6$ ) dentro de un espacio de valencia adecuado. La $\gamma$ sf se deriva clasificando los datos de transición en contenedores de energía (típicamente 100 keV) y promediando sobre el momento angular y los estados iniciales.
Modelo de Capas Proyectado Triaxial (TPSM): Aplicado a los isótopos de Gd. Este modelo proyecta estados de buen momento angular a partir de configuraciones de cuasipartículas triaxiales utilizando un Hamiltoniano de Emparejamiento + Cuadrupolo-Cuadrupolo (P+QQ). Incluye configuraciones de dos cuasiprotones, dos cuasinutrones y mixtas.

El estudio analiza tanto la $\gamma$ sf de emisión (decaimiento desde estados excitados) como la $\gamma$ sf de absorción (excitación desde el estado fundamental) para mapear la evolución de la fuerza como función del número de neutrones ( $N$ ) y la deformación.

Contribuciones Clave y Resultados

Pico LEMAR Universal: Para casi todos los casos estudiados, se encuentra un fuerte aumento de la $\gamma$ sf M1 a bajas energías (LEMAR). En núcleos esféricos o casi esféricos (p. ej., $^{94,96,97}$ Mo, $^{60}$ Fe, $^{118}$ Sn), esto se manifiesta como un único pico en $E_\gamma \approx 0$ . Este pico sigue un decaimiento exponencial, $f(E_\gamma) \propto e^{-E_\gamma/T_{\gamma}}$ , lo que sugiere un mecanismo estocástico caracterizado por un parámetro $T_{\gamma}$ .
Estructura Bimodal en Núcleos Deformados: En la región de medio llenado donde los núcleos están deformados (p. ej., $^{68}$ Fe, $^{70-80}$ Ge, $^{112}$ Sn, $^{90-100}$ Gd), la $\gamma$ sf desarrolla una estructura bimodal. Esta consiste en el pico de LEMAR a baja energía y un bulto distintivo alrededor de 2.5–3 MeV, identificado como la Resonancia de Tijera (SR). Específicamente para los isótopos de Sn, la transición evoluciona de un pico LEMAR único en $N=80$ a un pequeño pico de SR en $N=74$ , y finalmente a un SR fuerte que coexiste con el pico de LEMAR en $N=68$ . Se observa que la parte de la SR es pequeña para $N=80, 74$ y $62$.
Mecanismo de División y Fragmentación: El artículo atribuye el desarrollo de esta estructura bimodal a la división de los multipletes de partícula única esféricos (específicamente capas- $j$ $j$ como $g_{9/2}$ $g_{9/2}$ ) causada por la deformación nuclear.
- En núcleos esféricos, la fragmentación de las configuraciones partícula-hueco sobre un fondo denso de estados genera transiciones de baja energía, formando el pico de LEMAR.
- En núcleos deformados, la deformación divide los subestados magnéticos ( $k$ ). La SR surge de las excitaciones partícula-hueco de $\Delta k = \pm 1$ . Sin embargo, en lugar de un único estado colectivo, la interacción residual causa una fragmentación sustancial de esta fuerza sobre configuraciones de cuasipartículas cercanas.
- La combinación de la SR fragmentada y las transiciones de baja energía entre distribuciones superpuestas crea las características coexistentes de LEMA y SR.
Supresión de Isospín: En núcleos cercanos a $N=Z$ (p. ej., $^{72}$ Ge, $^{74}$ Ge), la fuerza de LEMAR se suprime. Los autores señalan que una gran parte del cambio del operador M1 cambia el isospín, lo que suprime fuertemente las transiciones M1 de baja energía en estos isótopos específicos.
Temperatura Termodinámica vs. Estocástica: El estudio distingue entre la temperatura termodinámica ( $T_{th}$ $T_{t h}$ ), derivada de la densidad de niveles $\rho(E)$ $ρ (E)$ , y el parámetro $T_{\gamma}$ $T_{γ}$ que caracteriza el decaimiento exponencial de la LEMAR.
- Para la mayoría de los casos (Mo, Fe, Sn, Sm), $T_{\gamma}$ es significativamente menor que $T_{th}$ (proporciones de aproximadamente 1:2 a 1:3).
- Para los isótopos de Gd calculados con TPSM, la relación es aún mayor ( $T_{\gamma} \approx 0.1-0.2$ MeV frente a $T_{th} \approx 1.0$ MeV), lo que sugiere que la interacción P+QQ causa una aleatorización más débil de los estados de alta energía en comparación con las interacciones utilizadas en las diagonalizaciones del SSM.
- Los isótopos de Ge muestran una relación más cercana a 1:1, aunque los autores señalan que los valores de $T_{\gamma}$ allí son inciertos.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la transición de un perfil LEMAR monomodal en núcleos débilmente deformados a un perfil bimodal LEMAR+SR en núcleos deformados es una característica general impulsada por la división de los orbitales de la capa- $j$ por la deformación y la aleatorización de las funciones de onda por las interacciones residuales.

Los autores proponen que el parámetro $T_{\gamma}$ , que gobierna el decaimiento exponencial de la fuerza de la LEMAR, puede servir como una nueva medida del grado de chaoticidad de los estados nucleares compuestos. Establecen explícitamente que la relación entre $T_{\gamma}$ y la temperatura termodinámica $T_{th}$ sigue siendo un problema abierto. El trabajo refuerza la interpretación de la LEMAR como radiación magnética que surge de configuraciones complejas y caóticas en lugar de modos colectivos simples, y valida el uso de tanto SSM como TPSM para reproducir estas tendencias experimentales en diferentes regiones de masa.

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