⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

Utilizando el espectrómetro GRIFFIN en TRIUMF, los investigadores midieron una fuerza de transición de octupolo eléctrico aumentada de 46(3) u.w. en $^{148}$ Dy, proporcionando evidencia directa de una colectividad octupolar significativa más allá de $Z=64$ y extendiendo los límites conocidos de este fenómeno lejos de los tradicionales números mágicos de octupolo.

Autores originales: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney

Publicado 2026-09-21

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney, A. B. Garnsworthy, P. E. Garrett, G. F. Grinyer, G. Hackman, J. Liu, A. Ludlam, L. L. Luperi, Madhu, T. La Marca, D. Movilla-Quintero, S. Murillo Morales, R. Nicolas del Alamo, M. M. Rajabali, P. H. Regan, M. Rocchini, M. Scheck, J. Seger, S. Sekal, D. Stramaccioni, C. E. Svensson, A. Tsantiri, J. Williams, F. Wu

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

En el corazón de cada átomo se encuentra un núcleo, un cúmulo denso de protones y neutrones que suele tener una forma perfectamente redonda o ligeramente achatada. Durante décadas, los físicos han sabido que, bajo condiciones específicas, estos núcleos pueden estirarse en una forma de pera, donde un extremo es ligeramente más pesado que el otro. Esta forma inusual surge de un sutil juego de tracción y arrastre entre las partículas en su interior, creando una distorsión que rompe la simetría de la esfera. Los científicos están profundamente interesados en estos núcleos con forma de pera porque podrían contener la clave para comprender por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria. Para encontrarlos, los investigadores buscan combinaciones específicas de protones y neutrones donde esta forma de pera es más probable que aparezca, a menudo cerca de ciertos números "mágicos" que actúan como peldaños estables en una escalera.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso significativo hacia adelante en el mapeo de dónde existen estas formas de pera. Se centraron en un isótopo del elemento disprosio, específicamente un átomo con 66 protones y 82 neutrones. Al estudiar cómo decae este átomo, pudieron medir una propiedad llamada fuerza de transición octupolar eléctrica. En términos sencillos, esta medición nos dice con qué facilidad el núcleo puede pasar de una forma de pera de nuevo a una forma redonda, o con qué fuerza vibra en ese modo similar al de una pera. Cuanto más fuerte es esta señal, más pronunciada es la forma de pera dentro del núcleo. Esta medición específica es notoriamente difícil de realizar porque las señales son tenues y fácilmente ahogadas por otros tipos de decaimiento nuclear más comunes.

Para capturar esta señal elusiva, el equipo creó un haz de átomos de disprosio en una importante instalación de investigación en Canadá. Bombardearon un blanco con protones de alta energía para crear una versión rara e inestable del elemento, la cual luego filtraron y ralentizaron hasta que fue adecuada para la observación. Estos átomos fueron implantados en un sistema de cinta rodeado por un sofisticado conjunto de detectores. A medida que los átomos decaían, emitían rayos gamma, que son destellos de luz de alta energía. Los investigadores utilizaron una técnica de temporización especializada para medir exactamente cuánto tiempo esperó el núcleo excitado antes de liberar su energía. Al combinar esta temporización precisa con un recuento de cuántas veces el núcleo eligió liberar energía directamente a su estado fundamental frente a tomar un desvío a través de un paso intermedio, pudieron calcular la fuerza de la vibración octupolar.

Los resultados fueron impactantes. El equipo determinó que la fuerza de transición para este isótopo de disprosio es de 46 unidades, un valor que es el más grande jamás medido en esta cadena específica de elementos. Este hallazgo confirma que la tendencia a formar formas de pera no se detiene en el límite previamente conocido de 64 protones, sino que se extiende más allá, alcanzando al menos los 66 protones. Los datos sugieren que la región de la tabla atómica donde estas formas son más prominentes es más grande de lo que se pensaba, ampliando los límites de donde esperamos encontrarlas. Esta medición no es solo un número; es evidencia directa de una colectividad octupolar aumentada en este átomo específico, lo que indica una fuerte vibración de tipo pera, aunque si esto representa una deformación permanentemente estable sigue siendo una cuestión abierta en esta región.

Los investigadores compararon sus resultados experimentales con complejas simulaciones por computadora diseñadas para predecir el comportamiento nuclear. Si bien algunos de los modelos teóricos se acercaron, ninguno predijo plenamente la magnitud de la fuerza que observaron en el átomo de disprosio. Las simulaciones sugirieron que el efecto sería más débil, o no lograron capturar el aumento agudo visto en los datos. Esta brecha entre la teoría y la medición resalta que nuestra comprensión actual de cómo interactúan los protones y neutrones para crear estas formas es aún incompleta. Los modelos necesitan ser refinados para dar cuenta de las formas específicas en que estas partículas se mueven a través de brechas de energía que anteriormente se pensaba que eran menos significativas.

Este trabajo hace más que simplemente añadir un punto de dato a una tabla; redefine los límites de dónde debemos buscar estas formas exóticas. El descubrimiento implica que la región de "forma de pera" se extiende más hacia los elementos más pesados de lo que los científicos habían anticipado. También sugiere que otros isótopos cercanos, que aún no han sido estudiados con este nivel de precisión, podrían poseer características de forma de pera aún más fuertes. Los hallazgos proporcionan una dirección clara para futuros experimentos, instando a los investigadores a mirar hacia elementos aún más pesados para ver si esta tendencia continúa. Al determinar exactamente dónde son más fuertes estas formas, el estudio nos acerca a la comprensión de las fuerzas fundamentales que dan forma a la materia que nos rodea, sin depender de conjeturas o indicios indirectos.

Resumen Técnico: Medición Directa de la Colectividad Octupolar Mejorada en $^{148}\text{Dy}$

Planteamiento del Problema
La existencia de núcleos con forma de "pera" resultante de la ruptura de la simetría de reflexión es impulsada por correlaciones octupolares de largo alcance octupolo-octupolo, las cuales son más fuertes cuando pares de orbitales que difieren en $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ se encuentran cerca de la superficie de Fermi. Aunque se ha centrado un importante enfoque teórico y experimental en las regiones de los actínidos ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) y los lantánidos ( $Z \sim 56, N \sim 88$ ), los límites precisos de la colectividad octupolar mejorada aún no están claros. Específicamente, aunque se observó que las fuerzas de transición $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ aumentaban desde $Z=50$ hasta $Z=64$ dentro de la cadena isotónica de $N=82$ , se desconocía si esta tendencia continuaba más allá de $Z=64$ (Gadolinio) o si los isótopos de Gd representaban el pico de colectividad en esta región. Además, el acceso experimental a las fuerzas de transición eléctrica-octupolares (E3) es un desafío porque las transiciones E3 a menudo compiten desfavorablemente con las transiciones permitidas E1 o E2.

Metodología
Los autores realizaron una medición directa del tiempo de vida medio del nivel $3^-_1$ en $^{148}\text{Dy}$ y de la fracción de ramificación de su desintegración.

Producción: Los estados excitados en $^{148}\text{Dy}$ fueron poblados mediante la desintegración $\beta^+$ /EC del isómero $5^-$ de $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9.60(13)$ s). El isómero fue producido bombardeando un blanco de Talio con protones de 480 MeV en la instalación TRIUMF ISAC-I.
Purificación del Haz: Los átomos de Ho fueron ionizados utilizando una fuente de iones láser para suprimir contaminantes isobáricos, seguido de una separación de masa para producir un haz puro de $^{148}\text{Ho}$ , el cual fue implantado en una cinta de Mylar en el centro del espectrómetro GRIFFIN.
Detección: Se utilizó el espectrómetro GRIFFIN, equipado con 15 detectores de tipo clover de HPGe y 8 detectores de centelleo rápido de $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ (con blindaje de anti-Compton activo), para recolectar los datos de desintegración.
Medición de Tiempo de Vida: El tiempo de vida medio del nivel $3^-_1$ se determinó mediante el método de Diferencia de Centroide Generalizado (GCD). Esto implicó medir la diferencia de tiempo entre la transición de alimentación ( $5^-_1 \to 3^-_1$ a 660.8 keV) y las transiciones de desintegración ( $3^-_1 \to 0^+_1$ a 1687.5 keV y $3^-_1 \to 2^+_1$ a 1677.5 keV) utilizando detectores de $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ .
Fracción de Ramificación: La fracción de ramificación absoluta de rayos $\gamma$ para la transición $3^-_1 \to 0^+_1$ se derivó midiendo la relación de intensidad de las transiciones de 1687 keV (E3) y 1677 keV (E2) en coincidencia con las transiciones que alimentan el nivel $3^-_1$ . La contribución de la transición E1 de 10 keV no observada se contabilizó utilizando coeficientes de conversión interna.
Análisis: El análisis de datos incluyó correcciones para el fondo de Compton de correlación temporal y la Diferencia de Respuesta Prompte (PRD) dependiente de la energía del sistema de detección.

Resultos Clave

Tiempo de Vida Medio: El tiempo de vida medio del nivel $3^-_1$ en $^{148}\text{Dy}$ se determinó como $\tau = 640(38)$ ps. Este valor fue consistente con los resultados obtenidos mediante el método de convolución ( $\tau = 640(25)$ ps).
Fracción de Ramificación: La fracción de ramificación al estado fundamental para la transición $3^-_1 \to 0^+_1$ se midió como $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0.862(11)$ .
Fuerza de Transición: Combinando el tiempo de vida y la fracción de ramificación, la fuerza de transición eléctrica-octupolar reducida se calculó como $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u.
Comparación: Este valor representa la mayor fuerza $B(E3)$ medida en toda la cadena isotónica de $N=82$ y es una de las mayores en la región de los lantánidos.

Contexto Teórico y Comparación
Los resultados experimentales se compararon con cálculos de la Aproximación de Campo Medio de Oscilaciones de Cuasipartículas (QRPA) utilizando funcionales de densidad de Skyrme SkI3 y SkM*, así como cálculos de Modelo de Capas (SM) de Gran Escala.

QRPA: La interacción SkM* reprodujo los datos para isotonos más ligeros ( $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ), pero subestimó significativamente el aumento observado en $^{148}\text{Dy}$ . La interacción SkI3 reprodujo el resultado de $^{148}\text{Dy}$ , pero sobrepredijo la fuerza en $^{146}\text{Gd}$ . Ambos modelos sugieren que el aumento es impulsado por la creciente ocupación del orbital $\pi 1d_{5/2}$ y la disponibilidad del orbital $\pi 0h_{11/2}$ , pero ninguno captura plenamente la magnitud del aumento de $^{146}\text{Gd}$ a $^{148}\text{Dy}$ .
Modelo de Capas (SM): Los cálculos estándar de SM subestimaron los valores de $B(E3)$ por un factor de dos. Un enfoque de SM desplazado, que tiene en cuenta las excitaciones de neutrones entre capas faltantes haciendo referencia al núcleo $^{132}\text{Sn}$ , proporcionó una mejor línea base, pero aun así falló en reproducir el gran aumento observado entre $^{146}\text{Gd}$ y $^{148}\text{Dy}$ .

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona evidencia directa de una colectividad octupolar mejorada más allá de $Z=64$ , extendiendo los límites conocidos de este fenómeno lejos de los tradicionales "números mágicos octupolares" ( $Z=56, N=88$ ).

La medición confirma que la tendencia de aumento de la fuerza $B(E3)$ continúa más allá del núcleo cuasi-doblemente mágico $^{146}\text{Gd}$ , alcanzando un máximo en $^{148}\text{Dy}$ dentro de la cadena de $N=82$ .
El resultado desafía los modelos teóricos existentes (QRPA y SM), indicando la necesidad de descripciones más precisas de las correlaciones octupolares entre capas.
Los autores sugieren que, basándose en la sistemática y las predicciones de QRPA, los isótopos más pesados de Disprosio ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) e isótopos de Erbio y Iterbio podrían poseer fuerzas $B(E3)$ aún mayores, lo que motiva futuros estudios experimentales en estas regiones para mapear completamente los límites de la colectividad octupolar.
El estudio demuestra la viabilidad de las técnicas de tiempo rápido combinadas con mediciones de fracción de ramificación como un enfoque complementario a la excitación de Coulomb para determinar los valores de $B(E3)$ en núcleos donde las desintegraciones E3 son experimentalmente accesibles.

Más como este