Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Cet article rend compte de la première mesure de la durée de vie de l'état $0^+_3$ dans $^{118}$Sn par capture de neutrons thermiques, où la force de transition $E0$ accrue observée fournit une preuve convaincante de la coexistence de formes multiples, une découverte corroborée par des calculs théoriques prédisant trois formes nucléaires distinctes dans les isotopes de l'étain.

L'essentiel

Imaginez le noyau d'un atome comme une minuscule piste de danse bondée. Habituellement, dans certains atomes « semi-magiques » comme l'Étain (Sn), les danseurs (protons et neutrons) préfèrent rester immobiles dans un cercle parfait et rond. C'est leur forme sphérique confortable.

Cependant, cette nouvelle recherche révèle que, dans les isotopes de l'Étain autour de la masse 118, la piste de danse accueille en réalité une fête sauvage où trois styles de danse différents se produisent exactement au même moment. Ce phénomène est appelé « coexistence de formes multiples ».

Voici une explication simple de ce que les scientifiques ont découvert :

1. Le mystère des danseurs « intrus »

Pendant longtemps, les physiciens savaient que les atomes d'Étain pouvaient parfois passer d'une forme ronde à une forme allongée, semblable à un ballon de football (appelée « prolate »). Ils pensaient qu'il s'agissait simplement d'un changement entre deux styles : Rond contre Football.

Mais il manquait une pièce du puzzle. Dans l'atome d'Étain-118, il existe un état excité spécifique (un mouvement de danse à haute énergie) appelé l'état $0^+_3$. Les scientifiques savaient qu'il existait, mais ils ne savaient pas combien de temps il durait avant de changer. Sans connaître sa « durée de vie », ils ne pouvaient pas dire s'il s'agissait d'un troisième style de danse distinct ou simplement d'un mélange désordonné des deux autres.

2. L'expérience du chronomètre

Pour résoudre ce problème, l'équipe s'est rendue dans un réacteur de recherche en France (l'Institut Laue-Langevin). Ils ont agi comme des photographes à haute vitesse.

• Le dispositif : Ils ont bombardé une cible d'Étain-117 avec des neutrons lents. Lorsqu'un neutron était capturé, il transformait l'atome en Étain-118 dans un état super-excité.
• La course : Alors que l'atome se calmait, il émettait des rayons gamma (des éclairs de lumière). Les scientifiques ont utilisé des détecteurs spéciaux (des cristaux LaBr3) qui agissent comme des chronomètres incroyablement rapides.
• La mesure : Ils ont chronométré exactement combien de temps l'état mystérieux $0^+_3$ a existé avant de se désintégrer. Ils ont découvert qu'il durait environ 74 picosecondes (soit 0,000000000074 seconde).

3. La preuve du « changeur de forme »

Connaître la durée de vie leur a permis de calculer à quel point la forme de l'atome changeait lors de ses transitions.

• L'analogie : Imaginez deux danseurs. S'ils sont très similaires, ils peuvent échanger leurs places facilement sans beaucoup d'effort. S'ils sont très différents (l'un est une ballerine, l'autre un breakdancer), passer de l'un à l'autre est un bond énorme et dramatique.
• Le résultat : Les scientifiques ont mesuré un « saut » massif (appelé force de transition E0) entre le deuxième état excité et le troisième état excité. Ce saut énorme a prouvé que ces deux états sont des formes fondamentalement différentes.

4. La coexistence à trois voies

En combinant leurs nouvelles données de chronométrage avec des simulations informatiques avancées (qui agissent comme un laboratoire de physique virtuel), ils ont conclu que l'Étain-118 (et ses voisins l'Étain-116 et l'Étain-120) ne fait pas simplement basculer entre deux formes. Il accueille trois formes distinctes simultanément :

1. La Balle Sphérique : L'état fondamental normal et rond.
2. Le Football Prolate : Une forme allongée (comme un ballon de rugby).
3. La Pancake Oblate : Une forme aplatie (comme une crêpe ou un frisbee).

L'article suggère que les états « intrus » (les états excités) sont en réalité ces différentes formes qui se battent pour la domination. L'état $0^+_2$ est principalement le « Football », tandis que l'état $0^+_3$ nouvellement mesuré est probablement la « Pancake ».

Pourquoi cela compte

C'est une découverte rare. Habituellement, nous ne voyons que deux formes coexistant dans un noyau. En trouver trois dans le même atome, c'est comme trouver une seule pièce où une table ronde, une longue table à manger et une table basse plate occupent toutes le même espace en même temps.

Les chercheurs ont utilisé un modèle informatique sophistiqué (appelé la méthode des coordonnées génératrices) pour confirmer cela. Le modèle a montré que ces trois formes émergent naturellement de la manière dont les protons et les neutrons interagissent, sans avoir besoin de modifier les mathématiques pour les faire correspondre.

En bref : Les scientifiques ont enfin chronométré un état atomique fugace, et ce chronométrage a prouvé que les atomes d'Étain ne sont pas simplement ronds ou allongés ; ce sont des changeurs de forme complexes capables de maintenir trois formes distinctes en même temps.

Résumé technique

Résumé technique : Coexistence de multiples formes près de $^{118}$Sn : Première mesure de la durée de vie du $0^+_3$

Énoncé du problème
Les isotopes semi-magiques de l'étain (Sn) ($Z=50$) constituent un système de référence pour les études de structure nucléaire, en particulier concernant la coexistence de formes. Dans la région du milieu de la couche neutronique ($^{112-118}$Sn), les états excités $0^+$ autour de 2 MeV sont interprétés comme résultant d'excitations protoniques deux-particules-deux-trous (2p-2h) à travers le gap de la couche $Z=50$, formant des bandes intruses avec une déformation prolate distincte de l'état fondamental sphérique. Bien que les transitions monopoles électriques (E0) renforcées entre les têtes de bandes $0^+$ servent de signatures spectroscopiques du mélange de formes, une compréhension complète de la coexistence dans $^{118}$Sn a été entravée par des données de durée de vie incomplètes. Plus précisément, la durée de vie du troisième état excité $0^+$ ($0^+_3$) dans $^{118}$Sn était auparavant inconnue, seules des limites larges ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$) étant disponibles. Ce manque d'informations précises sur la durée de vie a empêché le calcul de la force de transition E0 $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, laissant la nature du mélange entre les états $0^+_2$ et $0^+_3$ et l'existence potentielle de multiples formes distinctes non résolues.

Méthodologie
Pour combler cette lacune, les auteurs ont effectué une mesure directe de la durée de vie de l'état $0^+_3$ dans $^{118}$Sn en utilisant la technique de chronométrage rapide suivant la capture de neutrons thermiques.

• Expérience : L'expérience a été réalisée à l'Institut Laue-Langevin (ILL) en utilisant le spectromètre de rayons gamma prompts des produits de fission (FIPPS). Une cible en poudre enrichie à 89,2 % en $^{117}$Sn a été irradiée avec des neutrons thermiques.
• Détection : Le dispositif a utilisé 15 détecteurs de chronométrage rapide $LaBr_3$ (positionnés à $\approx 45^\circ$ et $135^\circ$) pour les mesures de temps et 8 détecteurs en clover à germanium hyperpur (HPGe) avec suppression Compton (à $90^\circ$) pour la résolution en énergie.
• Analyse des données : Les états ont été peuplés via la réaction $(n, \gamma)$. La durée de vie a été extraite en utilisant la méthode de la différence de centroïde généralisée (GCD). L'analyse s'est concentrée sur les coïncidences triple-gamma ($\gamma\gamma\gamma$) pour isoler la cascade de désintégration de l'état de capture ($S_n = 9326$ keV) jusqu'à l'état $0^+_3$ et sa désintégration subséquente. En sélectionnant le rayon gamma primaire (4765 keV) et des transitions spécifiques d'alimentation/désintégration (2504 keV et 827 keV), les auteurs ont minimisé le bruit de fond. La différence de centroïde ($\Delta C$) entre les distributions de temps « retardés » et « anti-retardés » a été mesurée et corrigée pour la différence de réponse prompte (PRD) afin d'extraire la durée de vie.
• Modélisation théorique : Pour interpréter les résultats expérimentaux, les auteurs ont employé la théorie fonctionnelle de la densité covariante multi-référence (MR-CDFT) combinée à la méthode du coordonnée génératrice (GCM). Cette approche utilise un fonctionnel d'énergie de densité relativiste sans ajuster de paramètres libres aux énergies d'excitation expérimentales. Elle construit des fonctions d'onde collectives comme des superpositions d'états de champ moyen conservant la symétrie avec des déformations quadrupolaires variables ($\beta_2$) pour décrire le mélange et la coexistence de formes.

Résultats clés

• Mesure de durée de vie : La durée de vie de l'état $0^+_3$ dans $^{118}$Sn a été déterminée à $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. Cette valeur a été dérivée d'une moyenne pondérée de mesures impliquant trois cascades différentes (rayons gamma primaires à 4765, 4407 et 4972 keV).
• Forces de transition : En utilisant la durée de vie mesurée, la probabilité de transition réduite $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ a été calculée à $0,80(14)$ U.W. Combinée aux données existantes $X(E0/E2)$, la force de transition E0 a été déterminée :
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2,0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) milliunités).
• Accord théorique : Les calculs MR-CDFT ont reproduit avec succès les spectres d'énergie de basse énergie et les forces de transition pour $^{116,118,120}$Sn. Les calculs ont révélé que les états $0^+_1$ sont presque sphériques ($\pi 1p-1h$), que les états $0^+_2$ sont dominés par des formes prolate ($\pi 4p-4h$ dans $^{116,118}$Sn), et que les états $0^+_3$ correspondent à des formes oblates (évoluant de $\pi 2p-2h$ à $\pi 3p-3h$). Les résultats théoriques ont confirmé une grande différence de forme ($\Delta \beta_2 > 0,24$) entre les états $0^+_2$ et $0^+_3$.

Signification et affirmations
La signification principale de ce travail est la première confirmation expérimentale de la coexistence de multiples formes dans le noyau semi-magique $^{118}$Sn.

• Preuve de trois formes : La grande valeur observée de $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ de 150(30) milliunités fournit une preuve convaincante d'un mélange fort entre des états de formes significativement différentes. Combinée à l'état fondamental sphérique connu et à la bande intruse prolate, les auteurs proposent la coexistence de trois formes distinctes : sphérique, prolate et oblate.
• Tendance systématique : Cette découverte étend l'observation de la coexistence de multiples formes aux isotopes voisins $^{116}$Sn et $^{120}$Sn, suggérant un phénomène systématique à travers la région du milieu de la couche neutronique des isotopes de Sn.
• Validation du modèle : L'étude souligne la nécessité d'inclure les excitations protoniques à travers la couche fermée $Z=50$ et les fluctuations de forme dans les modèles théoriques. Le succès de l'approche MR-CDFT à reproduire ces forces de transition complexes contraste avec les études de modèle en couches utilisant un cœur $Z=50$, qui échouent à capturer ces caractéristiques.
• Contexte plus large : Les auteurs suggèrent que la coexistence de multiples formes (impliquant trois formes ou plus) pourrait être plus courante qu'antérieurement reconnu, établissant des parallèles avec des phénomènes similaires observés dans les isotopes de Ni, Pb et Cd.

L'article conclut que, bien que le MR-CDFT reproduise bien les forces de transition, la surestimation des énergies d'excitation suggère la nécessité de raffinements futurs, tels que l'inclusion de composantes impaires en temps ou de configurations explicites de quasi-particules non collectives. Les auteurs notent que d'autres travaux expérimentaux, tels que des réactions de fusion-évaporation pour rechercher des bandes rotationnelles construites sur les états $0^+_3$ et des études d'excitation Coulombienne pour cartographier le plan $(\beta_2, \gamma)$, sont nécessaires pour établir fermement le scénario de coexistence de multiples formes.