⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

En utilisant le spectromètre GRIFFIN au TRIUMF, des chercheurs ont mesuré une force de transition octupolaire électrique augmentée de 46(3) W.u. dans l' $^{148}$ Dy, fournissant une preuve directe d'une collectivité octupolaire significative au-delà de $Z=64$ et étendant les limites connues de ce phénomène loin des nombres magiques octupolaires traditionnels.

Auteurs originaux : 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

Publié 2026-09-21

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : 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

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

Au cœur de chaque atome se trouve un noyau, un amas dense de protons et de neutrons qui adopte généralement une forme parfaitement ronde ou légèrement aplatie. Depuis des décennies, les physiciens savent que, dans des conditions spécifiques, ces noyaux peuvent s'étirer pour prendre une forme de poire, où une extrémité est légèrement plus lourde que l'autre. Cette forme inhabituelle résulte d'un subtil bras de fer entre les particules à l'intérieur, créant une distorsion qui brise la symétrie de la sphère. Les scientifiques s'intéressent de près à ces noyaux en forme de poire car ils pourraient détenir la clé pour comprendre pourquoi l'univers est composé de matière plutôt que d'antimatière. Pour les trouver, les chercheurs recherchent des combinaisons spécifiques de protons et de neutrons où cette forme de poire est la plus susceptible d'apparaître, souvent à proximité de certains « nombres magiques » qui agissent comme des échelons stables sur une échelle.

Une équipe de chercheurs a franchi une étape importante dans la cartographie de l'existence de ces formes de poire. Ils se sont concentrés sur un isotope de l'élément dysprosium, plus précisément un atome possédant 66 protons et 82 neutrons. En étudiant la manière dont cet atome se désintègre, ils ont pu mesurer une propriété appelée force de transition octupolaire électrique. En termes simples, cette mesure nous indique avec quelle facilité le noyau peut passer d'une forme de poire à une forme ronde, ou avec quelle intensité il vibre dans ce mode de type poire. Plus ce signal est fort, plus la forme de poire est prononcée au sein du noyau. Cette mesure spécifique est notoirement difficile à réaliser car les signaux sont faibles et facilement noyés par d'autres types de désintégrations nucléaires plus courants.

Pour capturer ce signal insaisissable, l'équipe a créé un faisceau d'atomes de dysprosium dans un centre de recherche majeur au Canada. Ils ont bombardé une cible avec des protons à haute énergie pour créer une version rare et instable de l'élément, qu'ils ont ensuite filtrée et ralentie jusqu'à ce qu'elle soit idéale pour l'observation. Ces atomes ont été implantés dans un système de ruban entouré d'un réseau sophistiqué de détecteurs. À mesure que les atomes se désintégraient, ils émettaient des rayons gamma, qui sont des éclats de lumière à haute énergie. Les chercheurs ont utilisé une technique de chronométrage spécialisée pour mesurer exactement combien de temps le noyau excité attendait avant de libérer son énergie. En combinant ce chronométrage précis avec un décompte de la fréquence à laquelle le noyau choisissait de libérer son énergie directement vers son état fondamental plutôt que de prendre un détour par une étape intermédiaire, ils ont pu calculer la force de la vibration octupolaire.

Les résultats ont été frappants. L'équipe a déterminé que la force de transition pour cet isotope de dysprosium est de 46 unités, une valeur qui est la plus élevée jamais mesurée dans cette chaîne spécifique d'éléments. Cette découverte confirme que la tendance à former des formes de poire ne s'arrête pas à la limite précédemment connue de 64 protons, mais s'étend plus loin, atteignant au moins 66 protons. Les données suggèrent que la région du tableau atomique où ces formes sont les plus proéminentes est plus large que ce que l'on pensait auparavant, repoussant les limites de l'endroit où nous nous attendions à les trouver. Cette mesure n'est pas seulement un chiffre ; c'est la preuve directe d'une collectivité octupolaire accrue dans cet atome spécifique, indiquant une forte vibration de type poire, bien que la question de savoir si cela représente une déformation durablement stable reste ouverte dans cette région.

Les chercheurs ont comparé leurs résultats expérimentaux avec des simulations informatiques complexes conçues pour prédire le comportement nucléaire. Bien que certains modèles théoriques se soient approchés du résultat, aucun d'entre eux n'a pleinement prédit l'ampleur de la force observée dans l'atome de dysprosium. Les simulations suggéraient que l'effet serait plus faible, ou elles n'ont pas réussi à capturer l'augmentation brutale observée dans les données. Cet écart entre la théorie et la mesure souligne que notre compréhension actuelle de la manière dont les protons et les neutrons interagissent pour créer ces formes est encore incomplète. Les modèles doivent être affinés pour tenir compte des manières spécifiques dont ces particules se déplacent à travers des écarts énergétiques qui étaient auparavant considérés comme moins significatifs.

Ce travail fait plus que simplement ajouter un point de donnée à un tableau ; il redéfinit les frontières de l'endroit où nous devrions chercher ces formes exotiques. La découverte implique que la région « en forme de poire » s'étend plus loin vers les éléments plus lourds que ce que les scientifiques avaient anticipé. Elle suggère également que d'autres isotopes voisins, qui n'ont pas encore été étudiés avec ce niveau de précision, pourraient posséder des caractéristiques de type poire encore plus fortes. Les conclusions fournissent une direction claire pour les expériences futures, incitant les chercheurs à examiner des éléments encore plus lourds pour voir si cette tendance se poursuit. En déterminant précisément où ces formes sont les plus fortes, l'étude nous rapproche de la compréhension des forces fondamentales qui façonnent la matière qui nous entoure, sans dépendre de conjectures ou d'indices indirects.

Résumé technique : Mesure directe de la collectivité octupolaire accrue dans $^{148}\text{Dy}$

Énoncé du problème
L'existence de noyaux en forme de « poire » résultant d'une rupture de symétrie de réflexion est pilotée par des corrélations octupolaires de long rayon, qui sont les plus fortes lorsque des paires d'orbitales différant de $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ se situent à proximité de la surface de Fermi. Bien qu'une attention théorique et expérimentale considérable ait été portée sur les régions des actinides ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) et des lanthanides ( $Z \sim 56, N \sim 88$ ), les limites précises de la collectivité octupolaire accrue restent floues. Plus précisément, bien que les forces de transition $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ aient été observées comme augmentant de $Z=50$ à $Z=64$ au sein de la chaîne isotone $N=82$ , on ignorait si cette tendance se poursuivait au-delà de $Z=64$ (Gadolinium) ou si les isotopes du Gd représentaient le sommet de la collectivité dans cette région. De plus, l'accès expérimental aux forces de transition électriques octupolaires (E3) est difficile car les transitions E3 entrent souvent en compétition défavorable avec les transitions E1 ou E2 autorisées.

Méthodologie
Les auteurs ont réalisé une mesure directe de la durée de vie moyenne du niveau $3^-_1$ de $^{148}\text{Dy}$ et de la fraction de branchement de sa désintégration vers l'état fondamental.

Production : Les états excités de $^{148}\text{Dy}$ ont été peuplés via la désintégration $\beta^+$ /EC de l'isomère $5^-$ de $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9,60(13)$ s). L'isomère a été produit en bombardant une cible de Tantale avec des protons de 480 MeV à l'installation TRIUMF ISAC-I.
Purification du faisceau : Les atomes de Ho ont été ionisés à l'aide d'une source d'ions laser pour supprimer les contaminants isobariques, suivie d'une séparation de masse pour produire un faisceau pur de $^{148}\text{Ho}$ , lequel a été implanté dans un ruban de Mylar au centre du spectromètre GRIFFIN.
Détection : Le spectromètre GRIFFIN, équipé de 15 détecteurs HPGe de type clover et de 8 détecteurs à scintillation rapide $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ (avec blindage anti-Compton actif), a été utilisé pour collecter les données de désintégration.
Mesure de la durée de vie : La durée de vie moyenne du niveau $3^-_1$ a été déterminée par la méthode de la Différence de Centroïde Généralisée (GCD). Cela impliquait de mesurer la différence de temps entre la transition de feeding ( $5^-_1 \to 3^-_1$ à 660,8 keV) et les transitions de désintégration ( $3^-_1 \to 0^+_1$ à 1687,5 keV et $3^-_1 \to 2^+_1$ à 1677,5 keV) en utilisant les détecteurs $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ .
Fraction de branchement : La fraction de branchement gamma absolue pour la transition $3^-_1 \to 0^+_1$ a été dérivée en mesurant le rapport d'intensité des transitions à 1687 keV (E3) et 1677 keV (E2) en coïncidence avec les transitions alimentant le niveau $3^-_1$ . La contribution de la transition E1 de 10 keV non observée a été prise en compte en utilisant les coefficients de conversion interne.
Analyse : L'analyse des données a inclus des corrections pour les corrélations temporelles du fond Compton et la différence de réponse impulsionnelle (PRD) dépendante de l'énergie du système de détection.

Résultats clés

Durée de vie moyenne : La durée de vie moyenne du niveau $3^-_1$ dans $^{148}\text{Dy}$ a été déterminée à $\tau = 640(38)$ ps. Cette valeur était cohérente avec les résultats obtenus via la méthode de convolution ( $\tau = 640(25)$ ps).
Fraction de branchement : La fraction de branchement vers l'état fondamental pour la transition $3^-_1 \to 0^+_1$ a été mesurée à $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0,862(11)$ .
Force de transition : En combinant la durée de vie et la fraction de branchement, la force de transition électrique octupolaire réduite a été calculée comme étant $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u.
Comparaison : Cette valeur représente la plus grande force $B(E3)$ mesurée sur l'ensemble de la chaîne isotone $N=82$ et est l'une des plus grandes dans la région des lanthanides.

Contexte théorique et comparaison
Les résultats expérimentaux ont été comparés à des calculs de l'Approximation de l'État Fondamental de Quasi-particules (QRPA) utilisant les fonctionnelles de densité de Skyrme SkI3 et SkM*, ainsi qu'à des calculs de Modèle de Couches (SM) à grande échelle.

QRPA : L'interaction SkM* a reproduit les données pour les isotones plus légères ( $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ), mais a considérablement sous-estimé l'augmentation observée dans $^{148}\text{Dy}$ . L'interaction SkI3 a reproduit le résultat de $^{148}\text{Dy}$ mais a surestimé la force dans $^{146}\text{Gd}$ . Les deux modèles suggèrent que l'augmentation est pilotée par l'occupation croissante de l'orbitale $\pi 1d_{5/2}$ et la disponibilité de l'orbitale $\pi 0h_{11/2}$ , mais aucun des deux ne capture pleinement l'ampleur de l'augmentation entre $^{146}\text{Gd}$ et $^{148}\text{Dy}$ .
Modèle de Couches (SM) : Les calculs SM standards ont sous-estimé les valeurs $B(E3)$ d'un facteur deux. Une approche SM décalée, tenant compte des excitations de neutrons inter-couches manquantes en se référant au cœur $^{132}\text{Sn}$ , a fourni une meilleure ligne de base mais a tout de même échoué à reproduire la grande augmentation observée entre $^{146}\text{Gd}$ et $^{148}\text{Dy}$ .

Signification et revendications
Les auteurs affirment que ce travail fournit une preuve directe d'une collectivité octupolaire accrue au-delà de $Z=64$ , étendant les limites connues de ce phénomène loin des traditionnels « nombres magiques octupolaires » ( $Z=56, N=88$ ).

La mesure confirme que la tendance à l'augmentation de la force $B(E3)$ se poursuit au-delà du noyau quasi-doublement magique $^{146}\text{Gd}$ , atteignant un maximum dans $^{148}\text{Dy}$ au sein de la chaîne $N=82$ .
Le résultat remet en question les modèles théoriques existants (QRPA et SM), indiquant la nécessité de descriptions plus précises des corrélations octupolaires inter-couches.
Les auteurs suggèrent que, sur la base de la systématique et des prédictions QRPA, les isotopes plus lourds du Dysprosium ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) et les isotopes de l'Erbium et de l'Ytterbium pourraient posséder des forces $B(E3)$ encore plus grandes, motivant de futures études expérimentales dans ces régions pour cartographier pleinement les limites de la collectivité octupolaire.
L'étude démontre la viabilité des techniques de chronométrage rapide combinées aux mesures de fraction de branchement comme approche complémentaire à l'excitation de Coulomb pour déterminer les valeurs $B(E3)$ dans les noyaux où les désintégrations E3 sont expérimentalement accessibles.

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