Emerging collectivity and phase transition in mass A$\approx$150 region. New information for Nd isotopes

Cette étude étudie les excitations de spin faible et moyen dans les isotopes $^{146,148,150,152}$Nd en utilisant des données de Gammasphere pour identifier 159 nouveaux niveaux et 305 nouvelles transitions, fournissant des informations sur l'émergence de la collectivité quadripolaire et le rôle de l'extrudeur de neutrons 11/2$^-$[505] dans la région de transition de phase A$\approx$150.

L'essentiel

Imaginez le noyau d'un atome non pas comme une boule d'argile statique, mais comme une piste de danse animée et énergique. À l'intérieur de ce minuscule espace, les protons et les neutrons se déplacent constamment, se mettent en couple et changent de formation. Parfois, le noyau entier oscille, s'étire ou tourne de manière coordonnée. Ce document est comme un enregistrement vidéo haute résolution de cette piste de danse, se concentrant spécifiquement sur un groupe de danseurs appelés isotopes du Néodyme (Nd).

Les chercheurs ont utilisé un réseau de caméras géant et ultra-sensible appelé Gammasphere pour observer ces noyaux atomiques après qu'ils ont été « excités » (secoués) par deux méthodes : en les laissant se désintégrer naturellement ou en les brisant lors d'une expérience de fission nucléaire.

Voici la décomposition de ce qu'ils ont trouvé, traduite en concepts de la vie quotidienne :

1. L'« Extrudeur » et le changement de forme

Le personnage central de cette histoire est un neutron spécifique (une particule dans le noyau) qui agit comme un fauteur de troubles ou un « catalyseur ». Les scientifiques appellent cela l'extrudeur de neutrons 11/2-[505].

• L'analogie : Imaginez une piste de danse où les danseurs se déplacent habituellement en cercle (forme sphérique). Soudain, un danseur spécifique (l'extrudeur) décide de pousser le groupe vers une formation différente.
• Ce qui s'est passé : Les chercheurs ont découvert que cet « extrudeur » de neutrons est responsable de la création de nouveaux états de basse énergie dans le noyau. C'est comme si ce neutron saisissait une paire de ses partenaires et les déplaçait vers un autre endroit sur la piste de danse, provoquant un changement de forme de tout le groupe, passant de rond (sphérique) à ovale (prolate) ou plat (oblate).
• La découverte : Ils ont cartographié comment cet « extrudeur » aide le noyau à passer d'une forme sphérique à une forme déformée et rotative. Cette transition est ce que les physiciens appellent une transition de phase quantique — un changement soudain de la nature fondamentale du noyau, semblable à la façon dont l'eau se transforme soudainement en glace.

2. Les « Nouveaux Danseurs » (Niveaux et transitions nouveaux)

Avant cette étude, nous ne connaissions que la chorégraphie des danseurs principaux. Ce document ajoute 159 nouveaux niveaux (nouvelles positions dans lesquelles le noyau peut se trouver), 305 nouvelles transitions (nouvelles façons pour le noyau de sauter entre les positions) et 83 nouvelles attributions de spin-parité (déterminer exactement comment le noyau tourne et s'oriente).

• L'analogie : C'est comme si l'on découvrait 159 nouveaux pas de danse et 305 nouvelles étapes que les danseurs peuvent effectuer.
• Les isomères : Ils ont trouvé deux états « de sommeil » appelés isomères. Voyez cela comme des danseurs qui restent figés dans une pose et la maintiennent un certain temps avant de se détendre.
  • Dans le Néodyme-150, ils ont trouvé un danseur maintenant une pose pendant environ 41 nanosecondes (milliardièmes de seconde).
  • Dans le Néodyme-152, ils en ont trouvé un autre tenant une pose pendant environ 42 nanosecondes.
  • Ils ont déterminé que ces états de « sommeil » sont causés par deux neutrons se mettant en couple dans une configuration spécifique à haute énergie impliquant cet « extrudeur » de neutrons.

3. Le mystère de la « Parabole » résolu

Les chercheurs ont remarqué quelque chose d'étrange dans les données d'études précédentes. Les niveaux d'énergie de certains états excités semblaient suivre deux larges courbes en forme de U (paraboles) qui ne semblaient pas vraiment cohérentes ensemble.

• L'analogie : Imaginez regarder un graphique de hauteurs de danse et voir deux larges arches floues. Vous pourriez penser qu'il y a deux types de danseurs différents.
• La solution : Le document soutient que ces « larges arches » sont en réalité une illusion d'optique. En regardant de plus près, on voit que les arches sont composées de différents types de danseurs mélangés. Certains sont « sphériques » (ronds), certains sont « oblats » (plats) et certains sont « prolates » (étirés). En les séparant, les arches larges et confuses se décomposent en motifs clairs et distincts.

4. Le cousin « Proton »

Bien que l'« extrudeur » de neutrons ait été la star principale, le document suggère également qu'il pourrait y avoir un « extrudeur » de protons (un proton spécifique agissant de manière similaire) qui aide à piloter ces changements de forme, en particulier dans les éléments plus lourds de cette région. C'est comme avoir un second catalyseur sur la piste de danse qui aide les protons (l'autre moitié de l'équipe) à changer aussi leur formation.

5. Pourquoi cela importe (selon le document)

Le document conclut que les méthodes actuelles pour décrire ces noyaux atomiques passent à côté de la cible.

• Le problème : Certains modèles traitent le noyau comme un fluide collectif lisse (comme une goutte de liquide), tandis que d'autres le traitent comme des particules individuelles (comme des billes de billard).
• La réalité : Le document suggère que la vérité est un mélange. Le noyau commence comme des particules individuelles (excitations de particules uniques), mais à mesure que l'on ajoute des danseurs (neutrons), ils commencent à « se déguiser » en costumes collectifs et à se déplacer ensemble.
• L'idée à retenir : Pour véritablement comprendre ces noyaux atomiques, nous avons besoin d'une nouvelle approche qui combine le comportement des particules individuelles avec la danse de groupe émergente. Les « extrudeurs » de neutrons sont la clé pour comprendre comment cette transition se produit.

En résumé : Ce document est une carte détaillée d'un quartier atomique spécifique. Il identifie un neutron « instigateur » clé qui déclenche des changements de forme, découvre de « nouveaux pas de danse » (niveaux d'énergie) et des « pauses » (isomères), et soutient que nous avons besoin d'une nouvelle façon de penser à la manière dont ces noyaux atomiques se déplacent pour comprendre la transition de la forme ronde à la forme étirée.

Résumé technique

Résumé technique : Collectivité émergente et transition de phase dans la région de masse $A \approx 150$

Problème et motivation
La structure nucléaire de la région de masse $A \approx 150$ est caractérisée par une interaction complexe entre les configurations sphériques et déformées, se manifestant souvent par des coexistances de structures nucléaires. Un défi central dans cette région est de comprendre la nature des excitations $0^+$ de faible énergie, qui sont fréquemment interprétées comme des vibrations $\beta$, bien que leur existence dans les noyaux bien déformés reste débattue. Des études récentes dans la région $A \approx 100$ suggèrent que de nombreux états $0^+$ de basse énergie proviennent de l'excitation de paires de nucléons aux croisements d'orbitales de Nilsson montantes et descendantes, impliquant spécifiquement des orbitales « extrudeuses » comme l'orbitale neutronique $\nu 9/2^+[404]$.

Dans la région $A \approx 150$, il a été proposé que l'extrudeur neutronique $\nu 11/2^-[505]$ joue un rôle catalytique similaire dans la génération d'excitations $0^+$ de faible énergie. Cependant, les données expérimentales pour les isotopes du Néodyme (Nd), particulièrement dans les isotopes les plus légers où la collectivité commence à se construire, sont incomplètes. Il est nécessaire de vérifier et d'étendre les informations expérimentales sur les isotopes du Nd pour clarifier l'émergence de la collectivité quadripolaire, l'évolution de diverses modes collectifs et la transition de phase quantique se produisant dans cette région de masse.

Méthodologie
Les auteurs ont étudié les excitations de spin faible et moyen dans quatre isotopes du Nd : $^{146}\text{Nd}$, $^{148}\text{Nd}$, $^{150}\text{Nd}$ et $^{152}\text{Nd}$. Les noyaux ont été peuplés via deux mécanismes primaires :

1. Désintégration $\beta^-$ des isotopes de Pr correspondants ($^{146,148,150,152}\text{Pr}$).
2. Fission prompt-$\gamma$ du $^{252}\text{Cf}$.

Les expériences ont été menées à l'aide du réseau Gammasphere de spectromètres Ge à suppression de Compton. L'analyse s'est appuyée sur :

• Mesures de coïncidence : Les coïncidences doubles et triples-$\gamma$ ont été utilisées pour construire les schémas de niveaux partiels et identifier de nouvelles transitions.
• Corrélations angulaires : Déterminées pour les cascades $\gamma\gamma$ fortes afin d'assigner le spin et la parité ($I^\pi$) aux niveaux excités.
• Analyse par délai temporel : Des techniques impliquant des fenêtres de temps retardées ont été employées pour identifier les états isomères et mesurer leurs demi-vies.
• Systématique et comparaisons : Les résultats expérimentaux ont été comparés avec des classifications phénoménologiques, des systématiques existantes et des calculs théoriques (incluant le Modèle de Couche à Grande Échelle, les modèles confinés $\beta$-soft et les modèles de paires SD) rapportés dans d'autres travaux.

Résultats clés
L'étude a considérablement étendu les schémas de niveaux connus pour les quatre isotopes du Nd :

• Nouveaux niveaux et transitions : Un total de 159 nouveaux niveaux, 305 nouvelles transitions $\gamma$ et 83 nouvelles assignations de spin-parité ont été ajoutés aux quatre noyaux.
• Isomères : Deux nouveaux états isomères ont été identifiés :
  • Un état à 2285,4 keV dans $^{150}\text{Nd}$ avec $T_{1/2} = 41(14)$ ns et $I^\pi = (7^+)$ tentatif.
  • Un état à 2389,85 keV dans $^{152}\text{Nd}$ avec $T_{1/2} = 42(8)$ ns et $I^\pi = (8^-)$ tentatif.
• $^{146}\text{Nd}$ : L'étude a confirmé la collectivité $\gamma$ à $N=86$ en identifiant une tête de bande $\gamma$ à 1470,58 keV ($2^+$) et ses membres de bande associés. La décroissance de 307,0 keV du niveau 1777,5 keV ($3^+$) vers le niveau 1470,58 keV a été une découverte clé.
• $^{148}\text{Nd}$ : Une bande rotationnelle a été fermement établie sur le niveau $0^+_2$ à 916,80 keV. L'étude a révisé les assignations de spin-parité pour plusieurs niveaux, incluant le niveau 1687,85 keV ($4^+$) et le niveau 1683,37 keV ($2^+$), ce dernier étant un candidat pour une excitation de type séniorité sphérique.
• $^{150}\text{Nd}$ : La bande de l'état fondamental a été étendue jusqu'au spin $(18^+)$. Un nouvel isomère à 2285,4 keV a été identifié. L'étude a proposé des assignations de spin-parité provisoires pour plusieurs candidats de bandes $\gamma$.
• $^{152}\text{Nd}$ : La structure de bande au-dessus de l'isomère 2242,70 keV a été significativement révisée et étendue. L'isomère 2242,70 keV a été assigné $I^\pi = 7^+$ et un nouvel isomère à 2389,85 keV a été trouvé. L'étude a identifié des cascades M1+E2 de haut-$K$ avec $\Delta I=1$.

Discussion et Interprétation
Les auteurs ont analysé les résultats à travers le prisme de la collectivité émergente et du rôle d'orbitales mono-particulaires spécifiques :

• Excitations $0^+$ et l'extrudeur : L'étude propose que l'extrudeur neutronique $\nu 11/2^-[505]$ est central à la formation des états $0^+$ de faible énergie. Le mécanisme implique le transfert d'une paire de neutrons de l'orbitale extrudeur vers des orbitales motrices de déformation de faible-$\Omega$ (prolate) ou de haut-$\Omega$ (oblate). Cela explique les « paraboles larges » observées dans les énergies des $0^+_2$ comme étant des artefacts du mélange de différentes origines structurelles (2-quasiparticules sphériques, oblate et prolate collectives).
• $S_{2n}$ et réactions de transfert : Les auteurs ont introduit un excès local d'énergie de séparation de deux neutrons, $\Delta S_{2n}(N,Z)$, pour mettre en évidence les écarts par rapport à une tendance linéaire. Une augmentation soudaine de $\Delta S_{2n}$ au-dessus de $N=88$ est corrélée au début de la déformation. Cette analyse, combinée aux données de réactions de transfert $(p,t)$ et $(t,p)$, soutient l'échange de configuration proposé entre les niveaux $0^+_1$ et $0^+_2$ autour de $N=89$.
• Extrudeur protonique : Des preuves suggèrent un rôle analogue pour l'extrudeur protonique $\pi 9/2^+[404]$, particulièrement pour expliquer les anomalies de déformation des $0^+_2$ dans $^{150}\text{Nd}$ et $^{152}\text{Nd}$ par rapport aux autres isotones.
• Collectivité $\gamma$ : L'étude identifie deux types de bandes $\gamma$ dans la région, différant par leur structure protonique. En dessous de $N=90$, les bandes $\gamma$ présentent un échelonnement caractéristique des structures $\gamma$-soft, évoluant vers des bandes rotationnelles triaxiales à $N=90$.
• Isomères à deux-quasiparticules (2-qp) : Les nouveaux isomères identifiés dans $^{150}\text{Nd}$ et $^{152}\text{Nd}$ sont interprétés comme des configurations 2-qp impliquant l'extrudeur $\nu 11/2^-[505]$, spécifiquement $\nu(11/2^-[505] \otimes 3/2^-[521])$ et $\nu(11/2^-[505] \otimes 5/2^+[642])$.

Signification et Revendications
Le papier affirme fournir de nouvelles données expérimentales essentielles pour tester les modèles nucléaires dans la région $A \approx 150$. Ses principales contributions sont :

1. Vérification Expérimentale : Il confirme la présence de l'extrudeur $\nu 11/2^-[505]$ à la surface de Fermi et son rôle vital dans la création de configurations excitées, incluant la structure oblate spécifique du niveau $0^+_2$ à 915,4 keV dans $^{146}\text{Nd}$.
2. Classification Structurelle : Il propose une classification des excitations $0^+$ et $2^+$ de faible énergie basées sur les excitations de paires de nucléons et l'action « catalytique » des orbitales extrudeurs, offrant une explication cohérente des changements abrupts dans les sections efficaces de transfert autour de $N=90$.
3. Limites des Modèles : Les auteurs notent que les modèles collectifs actuels tendent à surestimer la nature collective des excitations dans les noyaux transitionnels, tandis que les calculs du Modèle de Couche à Grande Échelle (LSSM) peinent à décrire correctement les excitations $0^+$ en raison de la troncature de la base.
4. Direction Future : Le travail suggère qu'une nouvelle approche théorique est nécessaire pour les noyaux transitionnels, une approche qui combine les excitations de paires de nucléons aux croisements d'orbitales avec la collectivité émergente, plutôt que de s'appuyer uniquement sur des modes collectifs ou des modèles de couches standards.

Les auteurs restent modestes quant à des conclusions définitives sur les assignations de spin-parité spécifiques pour certains niveaux provisoires et soulignent la nécessité de mesures de désintégration $\beta$ dédiées et d'études de réactions de transfert supplémentaires pour vérifier les configurations proposées et le rôle de l'extrudeur protonique.