⚛️ nuclear experiments

Low lying excitations in $^{150}$ Pm

Cette étude examine les excitations de basse énergie du noyau impair-impair $^{150}$ Pm en utilisant des réactions induites par protons et la spectroscopie gamma afin d'établir un nouveau schéma de niveaux comprenant 15 nouveaux niveaux, de déterminer des assignations de spin-parité et des temps de vie provisoires, et d'interpréter les résultats par des calculs de modèle de coquille projetée à large base, révélant un état fondamental $1^-$ , un état $2^-$ proche, ainsi qu'un isomère $6^-$ de basse énergie.

Auteurs originaux : 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

Publié 2026-06-25

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : 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

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez le noyau atomique non pas comme une boule solide, mais comme une piste de danse animée et chaotique où les protons et les neutrons sont les danseurs. Dans la plupart des noyaux, ces danseurs se déplacent selon des motifs parfaits et prévisibles. Mais dans certains noyaux « transitionnels », comme celui étudié dans cet article (le Prométhium-150, ou 150Pm), la piste de danse est un peu instable. Elle se situe précisément à la limite entre une forme sphérique (comme une balle lisse) et une forme déformée (comme un ballon de rugby).

Cet article est essentiellement le rapport d'une équipe de physiciens nucléaires qui s'est rendue sur cette piste de danse spécifique pour comprendre exactement comment les danseurs se déplacent, quels sont leurs spins et combien de temps ils conservent certaines poses avant de changer.

Voici une décomposition de leur voyage et de leurs découvertes :

1. Le défi : Capturer un fantôme

Étudier le 150Pm, c'est comme essayer de photographier un fantôme qui n'apparaît que pendant quelques heures.

Le problème : Cet atome est instable et n'existe pas naturellement en grandes quantités. On ne peut pas simplement l'extraire du sol ; il faut le créer.
La méthode : L'équipe a utilisé un accélérateur de particules géant (un cyclotron) pour bombarder une cible de Néodyme-150 avec des protons (de minuscules balles rapides). Lorsque les protons frappaient la cible, ils éjectaient un neutron et transformaient l'atome en 150Pm.
La détection : À mesure que ces nouveaux atomes se stabilisaient, ils émettaient des éclats de lumière appelés rayons gamma. L'équipe a utilisé un réseau sophistiqué de cinq détecteurs « Clover » (qui ressemblent à des pétales de fleurs) et un détecteur spécial à basse énergie pour capturer ces éclats. C'est comme si l'on disposait d'une équipe de caméras ultra-rapides essayant de capturer l'instant exact où un danseur pivote et émet de la lumière.

2. Trier le chaos : La découverte des « deux groupes »

Les détecteurs ont enregistré des milliers d'éclats. La partie délicate était que l'expérience a accidentellement créé un atome légèrement différent (le Prométhium-149), qui émettait également des éclats. C'était comme essayer de trier un tas de billes rouges et bleues mélangées.

L'astuce : L'équipe a mené l'expérience à deux vitesses différentes (énergies de faisceau). Ils ont remarqué que les « billes rouges » (149Pm) se comportaient d'une certaine manière, tandis que les « billes bleues » (150Pm) se comportaient différemment. En comparant les données de ces deux vitesses, ils ont pu filtrer le bruit de fond et isoler les signaux réels du 150Pm.
Le résultat : Ils ont réussi à cartographier le « schéma de niveaux ». Considérez cela comme le dessin du plan au sol d'un bâtiment. Ils ont trouvé 15 nouveaux niveaux d'énergie (pièces) et 16 nouvelles transitions gamma (couloirs) que personne n'avait vus auparavant.

3. Les pas de danse : Spin et parité

En physique nucléaire, chaque niveau d'énergie possède un « spin » (sa vitesse de rotation) et une « parité » (si elle est l'image miroir d'elle-même ou inversée).

L'état fondamental : La question la plus importante était : quelle est la pose « par défaut » de cet atome ? Des études précédentes débattaient pour savoir s'il s'agissait d'une pose « 1-moins » ou « 2-moins ».
Le verdict : En combinant leurs nouvelles données avec des simulations informatiques (Modèles de Couches), l'équipe a conclu que l'état fondamental est 1-moins.
Le voisin proche : Ils ont également trouvé un état très proche de l'état fondamental (à seulement 50 keV de distance, ce qui est comme un murmure dans une pièce bruyante) qui possède un spin 2-moins.
L'isomère : Ils ont identifié un état « métastable » (un isomère) avec un spin 6-moins. Imaginez un danseur restant bloqué dans une pose difficile pendant une fraction de seconde avant de revenir brusquement à la normale.

4. Chronométrer la danse : Les durées de vie

L'équipe voulait savoir combien de temps l'atome reste dans ces états excités avant de redescendre au rez-de-chaussée.

La technique : Ils ont utilisé une méthode appelée « Différence de Centroïde Généralisée ». Imaginez deux coureurs partant avec un léger décalage de temps. En mesurant la infime différence de temps qu'ils mettent pour franchir la ligne d'arrivée, vous pouvez calculer leur vitesse.
La découverte : Ils ont mesuré la « durée de vie » de deux niveaux spécifiques. Les deux étaient incroyablement rapides, durant moins de 2 nanosecondes (milliardièmes de seconde). Cela nous indique que ces états sont très instables et retombent presque instantanément.

5. La simulation informatique : La théorie correspondait-elle ?

Pour donner un sens à leurs observations, l'équipe a lancé deux types de simulations informatiques :

Le Modèle Sphérique : Il traite le noyau comme une boule lisse. Il a prédit avec succès l'état fondamental et les états de basse énergie proches, confirmant que les particules uniques (protons et neutrons) sont les principaux danseurs ici.
Le Modèle de Couche Projeté : Il traite le noyau comme un ballon de rugby légèrement aplati. Ce modèle a aidé à expliquer les « structures de bandes » — des groupes de niveaux d'énergie qui ressemblent à une échelle. Il suggère que ces niveaux sont formés par des paires de quasi-particules (des couples proton-neutron) dansant ensemble.

Résumé

En termes simples, cet article est une carte détaillée d'un noyau atomique de transition très instable. L'équipe a :

Créé l'atome à l'aide d'un accélérateur de particules.
Filtré le bruit de fond pour trouver 15 nouveaux niveaux d'énergie.
Déterminé que l'état « par défaut » de l'atome est un spin 1-moins.
Trouvé un état 2-moins proche et un isomère 6-moins plus élevé.
Mesuré que ces états excités disparaissent en moins de 2 nanosecondes.
Confirmé que les modèles de particules uniques et de danseurs appariés peuvent expliquer la majeure partie de ce qu'ils ont observé.

L'article conclut que bien qu'ils aient fait un bond de géant dans la compréhension de ce noyau spécifique, la « piste de danse » est complexe, et des mesures à plus haute résolution sont nécessaires pour comprendre pleinement les états de parité positive (l'autre côté de la piste de danse) que les modèles actuels n'ont pas pu prédire.

Résumé Technique : Excitations de Bas Niveau dans $^{150}\text{Pm}$

Énoncé du Problème
La structure nucléaire des noyaux impairs-impairs dans la région de transition $A \sim 150$ , spécifiquement $^{150}\text{Pm}$ ( $Z=61, N=89$ ), demeure mal comprise malgré sa signification dans la transition de phase de forme quantique (QPT) des vibrateurs sphériques vers les rotateurs déformés. Ce noyau se situe entre la symétrie $X(5)$ présentant des voisins par paires même-même $^{150}\text{Nd}$ et $^{152}\text{Sm}$ . Les données expérimentales existantes sur $^{150}\text{Pm}$ sont rares, avec des rapports conflictuels concernant le spin-parité de l'état fondamental ( $J^\pi$ ). Alors que certaines études suggèrent un état fondamental $1^-$ basé sur les mesures d'intensité de désintégration $\beta$ , d'autres proposent un état fondamental $2^-$ basé sur des données de réaction $(^3\text{He}, t)$ , supposant souvent l'absence d'un état $1^-$ proche. De plus, l'existence et la nature des isomères de bas niveau, qui pourraient impacter la nucléosynthèse via le processus de capture neutronique lente, ainsi que le développement de structures de bandes dans ce système impair-impair, nécessitent des clarifications. La rareté des données est attribuée à la difficulté de peupler ces états via des cibles stables et au manque de voies de désintégration $\beta appropriées.

Méthodologie
L'étude a utilisé la réaction induite par protons $^{150}\text{Nd}(p,n)^{150}\text{Pm}$ au Centre de Cyclotron à Énergie Variable (VECC), Calcutta. Une cible de $^{150}\text{Nd}$ hautement enrichie ( $97,65\%$ ) a été irradiée avec des faisceaux de protons à deux énergies, 8 MeV et 9 MeV. Les rayons $\gamma$ de désintégration ont été détectés par l'Indian National Gamma Array (INGA), comprenant cinq détecteurs Clover HPGe avec suppression BGO et un détecteur plan segmenté (LEPS).

Analyse des données :

Analyse de la fonction d'excitation : Comparaison des rendements de rayons $\gamma$ simples à 8 MeV et 9 MeV pour distinguer les transitions appartenant à $^{150}\text{Pm}$ du contaminant $^{149}\text{Pm}$ , en utilisant un facteur de normalisation basé sur la raie de 211 keV de $^{149}\text{Pm}$ .
Analyse de coïncidence : Construction de matrices $\gamma-\gamma$ symétriques (Clover-Clover) et asymétriques (Clover-LEPS) pour établir les schémas de niveaux et placer les nouvelles transitions.
Mesures d'intensité : Détermination des intensités relatives en utilisant les projections totales et fenêtrées de la matrice $\gamma-\gamma$ .
Assignation Spin-Parité : Utilisation d'une analyse limitée de la distribution angulaire (utilisant des détecteurs à $86,5^\circ$ , $93,5^\circ$ et $125^\circ$ ) pour extraire les coefficients de distribution angulaire ( $a_2$ ) et inférer les multipolarités.
Analyse de durée de vie : Estimation des durées de vie de deux niveaux excités en utilisant la technique de la Différence de Centroïde Généralisée (GCD) avec des détecteurs Ge dans la gamme de la nanoseconde, calibrée par rapport aux durées de vie connues de $^{149}\text{Pm}$ et $^{150}\text{Sm}$ .
Modélisation Théorique : Réalisation de calculs du Modèle de Couche Sphérique à Grande Base (LBSM) utilisant NuShellX@MSU avec un cœur inerte $^{132}\text{Sn}$ pour contraindre les propriétés de l'état fondamental. De plus, des calculs du Modèle de Coque Projeté (PSM) ont été effectués en utilisant un champ moyen déformé pour interpréter les structures de bandes et les configurations de quasi-particules.

Contributions Clés et Résultats

Construction du Schéma de Niveaux : L'étude a identifié et placé 16 nouveaux rayons $\gamma$ et 15 nouveaux niveaux d'énergie dans le schéma de niveaux de $^{150}\text{Pm}$ . Trois rayons $\gamma$ précédemment connus (76,6, 159,2 et 229,5 keV) ont été repositionnés dans le schéma.
Assignation de l'État Fondamental : Sur la base des données de distribution angulaire, des prédictions du modèle de couche et des arguments phénoménologiques, l'état fondamental de $^{150}\text{Pm}$ est assigné à un spin-parité de $1^-$ . Un état $2^-$ très proche est proposé à environ 50 keV (spécifiquement 31 keV dans les calculs de modèle de couche), ce qui peut expliquer les précédentes assignations conflictuelles.
État Isomère : Un état isomère $6^-$ de bas niveau est identifié. Un second groupe de niveaux (incluant 177,2+X, 336,4+X et 454,8+X keV) est provisoirement placé sur cet état isomère, distinct de la bande de l'état fondamental.
Structures de Bandes : Les données révèlent des structures de type bandes émergentes. Des bandes de parité négative (B1, B2, B3) et des bandes de parité positive (B4, B5) ont été proposées. La bande B1 est identifiée comme la séquence yrast.
Mesures de Durée de Vie : Les durées de vie pour les niveaux 128,3 keV et 177,2+X keV ont été estimées à moins de 2 ns en utilisant la technique GCD.
Interprétation Théorique :
- Modèle de Couche : Le calcul LBSM a reproduit avec succès l'état fondamental $1^-$ et les configurations proton-neutron dominantes ( $\pi g_{7/2} \otimes \nu f_{7/2}$ ) pour les états de parité négative de bas niveau. Cependant, il a prédit une densité de niveaux plus faible que celle observée et n'a pas réussi à prédire les états de parité positive de basse énergie, probablement en raison des troncatures de l'espace de modèle.
- Modèle de Coque Projeté : Les calculs PSM, incorporant la déformation ( $\epsilon \approx 0,208$ ), ont fourni une description raisonnable des structures de bandes rotationnelles et des configurations de quasi-particules, soutenant l'interprétation des séquences observées comme des bandes de quasi-particules.

Signification
Cet article affirme que ce travail fournit le schéma de niveaux de bas niveau le plus complet pour $^{150}\text{Pm}$ à ce jour, résolvant les ambiguïtés concernant le spin-parité de l'état fondamental en confirmant l'assignation $1^-$ . L'identification d'un isomère $6^-$ de bas niveau et la caractérisation des structures de bandes émergentes offrent des perspectives critiques sur l'interaction entre les excitations de particule simple et le comportement rotationnel collectif près de la transition de forme $N=90$ . Les résultats servent de référence pour comprendre la symétrie du point critique dans cette région de masse et soulignent la nécessité d'une spectroscopie à haute résolution pour cartographier pleinement la structure de ces noyaux de transition. Les auteurs notent que bien que les données actuelles soutiennent les assignations proposées, des mesures futures impliquant des réactions de fusion-évaporation ou de transfert avec des capacités de distribution angulaire et de polarisation sont nécessaires pour des assignations spin-parité définitives.