Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Questo lavoro riporta la prima misura della vita media dello stato $0^+_3$ in $^{118}$Sn ottenuta tramite cattura di neutroni termici, dove la forza di transizione $E0$ potenziata osservata fornisce prove convincenti della coesistenza di più forme, un risultato corroborato da calcoli teorici che prevedono tre distinte forme nucleari negli isotopi dello Sn.

L'essenziale

Immagina il nucleo di un atomo come un minuscolo e vivace pavimento da ballo. Di solito, in certi atomi "semi-magici" come lo Stagno (Sn), i ballerini (protoni e neutroni) preferiscono rimanere fermi in un cerchio perfetto e rotondo. Questa è la loro forma sferica e confortevole.

Tuttavia, questa nuova ricerca rivela che negli isotopi dello Stagno intorno alla massa 118, il pavimento da ballo sta effettivamente ospitando una festa selvaggia in cui tre diversi stili di danza avvengono esattamente allo stesso tempo. Questo fenomeno è chiamato "coesistenza multipla di forme".

Ecco una semplice spiegazione di ciò che gli scienziati hanno scoperto:

1. Il Mistero dei Ballerini "Intrusi"

Per molto tempo, i fisici hanno saputo che gli atomi di Stagno potevano talvolta passare da una forma rotonda a una forma allungata, simile a un pallone da calcio (chiamata "prolate"). Pensavano che si trattasse di un semplice passaggio tra due stili: Rotondo contro Prolato.

Ma mancava un pezzo del puzzle. Nell'atomo Stagno-118, esiste uno stato eccitato specifico (un movimento di danza ad alta energia) chiamato stato $0^+_3$. Gli scienziati sapevano che esisteva, ma non sapevano quanto durava prima di cambiare. Senza conoscere la sua "vita media", non potevano dire se fosse uno stile di danza terzo distinto o semplicemente un miscuglio disordinato degli altri due.

2. L'Esperimento del Cronometro

Per risolvere il problema, il team si è recato in un reattore di ricerca in Francia (l'Istituto Laue-Langevin). Hanno agito come fotografi ad alta velocità.

• L'allestimento: Hanno bombardato un bersaglio di Stagno-117 con neutroni lenti. Quando un neutrone veniva catturato, trasformava l'atomo in Stagno-118 in uno stato super-eccitato.
• La Corsa: Mentre l'atomo si calmava, emetteva raggi gamma (lampi di luce). Gli scienziati hanno utilizzato rivelatori speciali (cristalli LaLaBr3) che funzionano come cronometri incredibilmente veloci.
• La Misurazione: Hanno cronometrato esattamente quanto durava il misterioso stato $0^+_3$ prima di decadere. Hanno scoperto che durava circa 74 picosecondi (cioè 0,000000000074 secondi).

3. L'Evidenza del "Cambiaforma"

Conoscere la vita media ha permesso loro di calcolare quanto cambiava la forma dell'atomo durante le sue transizioni.

• L'Analogia: Immagina due ballerini. Se sono molto simili, possono scambiarsi di posto facilmente senza grande sforzo. Se sono molto diversi (uno è una ballerina, l'altro è un breakdancer), passare dall'uno all'altro è un enorme e drammatico salto.
• Il Risultato: Gli scienziati hanno misurato un enorme "salto" (chiamato forza di transizione E0) tra il secondo stato eccitato e il terzo stato eccitato. Questo enorme salto ha dimostrato che questi due stati sono forme fondamentalmente diverse.

4. La Coesistenza a Tre Vie

Combinando i nuovi dati del cronometro con simulazioni informatiche avanzate (che fungono da laboratorio di fisica virtuale), hanno concluso che lo Stagno-118 (e i suoi vicini Stagno-116 e Stagno-120) non sta semplicemente passando tra due forme. Sta ospitando tre forme distinte simultaneamente:

1. La Sfera: Lo stato fondamentale normale e rotondo.
2. Il Prolato: Una forma allungata (come un pallone da rugby).
3. L'Oblato: Una forma schiacciata (come una frittella o un frisbee).

Il documento suggerisce che gli stati "intrusi" (quelli eccitati) sono in realtà queste diverse forme che lottano per il predominio. Lo stato $0^+_2$ è per lo più il "Pallone", mentre il nuovo stato $0^+_3$ misurato è probabilmente la "Frittella".

Perché Questo È Importante

Questa è una scoperta rara. Di solito, vediamo solo due forme coesistere in un nucleo. Trovare tre forme nello stesso atomo è come trovare una singola stanza in cui un tavolo rotondo, un lungo tavolo da pranzo e un basso tavolino da caffè occupano tutti lo stesso spazio contemporaneamente.

I ricercatori hanno utilizzato un sofisticato modello informatico (chiamato Metodo delle Coordinate Generatrici) per confermare questo. Il modello ha mostrato che queste tre forme emergono naturalmente dal modo in cui protoni e neutroni interagiscono, senza bisogno di modificare la matematica per farla quadrare.

In sintesi: Gli scienziati hanno finalmente cronometrato uno stato atomico effimero, e quel tempo ha dimostrato che gli atomi di Stagno non sono semplicemente rotondi o allungati; sono complessi cambia-forme capaci di mantenere tre forme distinte contemporaneamente.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Coesistenza di Multiple Forme vicino a $^{118}$Sn: Prima Misura della Vita Media dello Stato $0^+_3$

Enunciato del Problema
Gli isotopi semi-magici dello Stagno (Sn) ($Z=50$) costituiscono un sistema di riferimento per gli studi sulla struttura nucleare, in particolare riguardo alla coesistenza di forme. Nella regione di metà shell dei neutroni ($^{112-118}$Sn), gli stati eccitati $0^+$ intorno a 2 MeV sono interpretati come derivanti da eccitazioni protone due-particelle-due-buche (2p-2h) attraverso il gap di shell $Z=50$, formando bande intruse con deformazione prolatta distinta dallo stato fondamentale sferico. Sebbene le transizioni elettriche monopolo (E0) enhanceate tra i capi di banda $0^+$ servano come firme spettroscopiche del mixing di forme, una comprensione completa della coesistenza in $^{118}$Sn è stata ostacolata da dati incompleti sulle vite medie. Nello specifico, la vita media del terzo stato eccitato $0^+$ ($0^+_3$) in $^{118}$Sn era precedentemente sconosciuta, con disponibili solo limiti ampi ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$). Questa mancanza di informazioni precise sulla vita media ha impedito il calcolo della forza di transizione E0 $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, lasciando irrisolta la natura del mixing tra gli stati $0^+_2$ e $0^+_3$ e l'eventuale esistenza di forme distinte multiple.

Metodologia
Per colmare questa lacuna, gli autori hanno eseguito una misura diretta della vita media dello stato $0^+_3$ in $^{118}$Sn utilizzando la tecnica di temporizzazione rapida (fast-timing) successiva alla cattura di neutroni termici.

• Esperimento: L'esperimento è stato condotto all'Istituto Laue-Langevin (ILL) utilizzando lo Spettrometro di Raggi Gamma Prompt da Prodotti di Fissione (FIPPS). Un bersaglio in polvere arricchito all'89,2% in $^{117}$Sn è stato irradiato con neutroni termici.
• Rilevazione: Il setup ha utilizzato 15 rivelatori a temporizzazione rapida $LaBr_3$ (posizionati a $\approx 45^\circ$ e $135^\circ$) per le misurazioni temporali e 8 rivelatori clover in Germanio ad Alta Purezza (HPGe) con soppressione Compton (a $90^\circ$) per la risoluzione energetica.
• Analisi dei Dati: Gli stati sono stati popolati tramite la reazione $(n, \gamma)$. La vita media è stata estratta utilizzando il metodo della Differenza di Centroidi Generalizzata (GCD). L'analisi si è focalizzata su coincidenze triple-gamma ($\gamma\gamma\gamma$) per isolare la cascata di decadimento dallo stato di cattura ($S_n = 9326$ keV) fino allo stato $0^+_3$ e al suo successivo decadimento. Applicando una porta (gating) sul raggio gamma primario (4765 keV) e su specifiche transizioni di alimentazione/decadimento (2504 keV e 827 keV), gli autori hanno minimizzato il fondo. La differenza di centroidi ($\Delta C$) tra le distribuzioni temporali "ritardate" e "anti-ritardate" è stata misurata e corretta per la differenza di risposta prompt (PRD) per estrarre la vita media.
• Modellizzazione Teorica: Per interpretare i risultati sperimentali, gli autori hanno impiegato la Teoria del Funzionale di Densità Covariante a Multi-Riferimento (MR-CDFT) combinata con il Metodo delle Coordinate Generatrici (GCM). Questo approccio utilizza un funzionale di densità energetica relativistico senza regolare parametri liberi sulle energie di eccitazione sperimentali. Costruisce funzioni d'onda collettive come sovrapposizioni di stati di campo medio che conservano la simmetria con diverse deformazioni quadrupolari ($\beta_2$) per descrivere il mixing e la coesistenza di forme.

Risultati Chiave

• Misura della Vita Media: La vita media dello stato $0^+_3$ in $^{118}$Sn è stata determinata essere $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. Questo valore è stato derivato da una media ponderata di misurazioni che coinvolgono tre diverse cascate (raggi gamma primari a 4765, 4407 e 4972 keV).
• Forze di Transizione: Utilizzando la vita media misurata, la probabilità di transizione ridotta $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ è stata calcolata come $0,80(14)$ W.u. Combinando i dati esistenti su $X(E0/E2)$, è stata determinata la forza di transizione E0:
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2,0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) milliunità).
• Accordo Teorico: I calcoli MR-CDFT hanno riprodotto con successo gli spettri energetici a bassa energia e le forze di transizione per $^{116,118,120}$Sn. I calcoli hanno rivelato che gli stati $0^+_1$ sono quasi sferici ($\pi 1p-1h$), gli stati $0^+_2$ sono dominati da forme prolatte ($\pi 4p-4h$ in $^{116,118}$Sn) e gli stati $0^+_3$ corrispondono a forme oblate (che evolvono da $\pi 2p-2h$ a $\pi 3p-3h$). I risultati teorici hanno confermato una grande differenza di forma ($\Delta \beta_2 > 0,24$) tra gli stati $0^+_2$ e $0^+_3$.

Significato e Affermazioni
Il significato primario di questo lavoro è la prima conferma sperimentale della coesistenza di multiple forme nel nucleo semi-magico $^{118}$Sn.

• Evidenza per Tre Forme: Il grande valore osservato di $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ di 150(30) milliunità fornisce prove convincenti di un forte mixing tra stati di forme significativamente diverse. Combinato con lo stato fondamentale sferico noto e la banda intrusa prolatta, gli autori propongono la coesistenza di tre forme distinte: sferica, prolatta e oblate.
• Tendenza Sistematica: Questa scoperta estende l'osservazione della coesistenza di multiple forme agli isotoni vicini $^{116}$Sn e $^{120}$Sn, suggerendo un fenomeno sistematico attraverso la regione di metà shell dei neutroni degli isotopi dello Sn.
• Validazione del Modello: Lo studio sottolinea la necessità di includere eccitazioni di protoni attraverso il guscio chiuso $Z=50$ e fluttuazioni di forma nei modelli teorici. Il successo dell'approccio MR-CDFT nel riprodurre queste complesse forze di transizione contrasta con gli studi del modello a shell che utilizzano un core $Z=50$, i quali non riescono a catturare queste caratteristiche.
• Contesto più Ampio: Gli autori suggeriscono che la coesistenza di multiple forme (coinvolgente tre o più forme) potrebbe essere più comune di quanto precedentemente riconosciuto, tracciando paralleli con fenomeni simili osservati negli isotopi di Ni, Pb e Cd.

Il documento conclude che, sebbene il MR-CDFT riproduca bene le forze di transizione, la sovrastima delle energie di eccitazione suggerisce la necessità di affinamenti futuri, come l'inclusione di componenti dispari nel tempo o configurazioni esplicite di quasi-particelle non collettive. Gli autori notano che è necessario un ulteriore lavoro sperimentale, come reazioni di fusione-evaporazione per cercare bande rotazionali costruite sugli stati $0^+_3$ e studi di eccitazione Coulombiana per mappare il piano $(\beta_2, \gamma)$, per stabilire fermamente lo scenario di coesistenza di multiple forme.