⚛️ nuclear experiments

Low lying excitations in $^{150}$ Pm

Questo studio investiga le eccitazioni a bassa energia del nucleo dispari-dispari $^{150}$ Pm utilizzando reazioni indotte da protoni e spettroscopia di raggi $\gamma$ per stabilire un nuovo schema di livelli con 15 nuovi livelli, determinare le assegnazioni provvisorie di spin-parità e i tempi di vita, e interpretare i risultati attraverso calcoli del modello a base ampia e del modello a guscio proiettato, rivelando uno stato fondamentale $1^-$ , uno stato $2^-$ nelle vicinanze e un isomero $6^-$ a bassa energia.

Autori originali: 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

Pubblicato 2026-06-25

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CC BY 4.0

Autori originali: 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

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate il nucleo atomico non come una pallina solida, ma come una pista da ballo caotica e frenetica dove protoni e neutroni sono i ballerini. Nella maggior parte dei nuclei, questi ballerini si muovono in schemi perfetti e prevedibili. Ma in certi nuclei "transizionali", come quello studiato in questo articolo (Prometio-150, o 150Pm), la pista da ballo è un po' instabile. Si trova proprio al limite tra una forma sferica (come una pallina liscia) e una forma deformata (come un pallone da rugby).

Questo articolo è essenzialmente un rapporto di un team di fisici nucleari che è andato su questa specifica pista da ballo per capire esattamente come si muovono i ballerini, quali sono i loro spin e quanto tempo rimangono in certe pose prima di cambiare.

Ecco una suddivisione del loro viaggio e delle loro scoperte:

1. La sfida: Catturare un fantasma

Studiare il 150Pm è come cercare di fotografare un fantasma che appare solo per poche ore.

Il problema: Questo atomo è instabile e non esiste naturalmente in grandi quantità. Non puoi semplicemente estrarlo; devi crearlo.
Il metodo: Il team ha usato un gigantesco acceleratore di particelle (un ciclotrone) per sparare protoni (piccoli proiettili veloci) contro un bersaglio di Neodimio-150. Quando i protoni colpiscono il bersaglio, espellono un neutrone e trasformano l'atomo in 150Pm.
Il rilevamento: Mentre questi nuovi atomi si assestavano, emettevano lampi di luce chiamati raggi gamma. Il team ha utilizzato un sofisticato array di cinque rilevatori "Clover" (che sembrano petali di fiori) e un rilevatore speciale a bassa energia per catturare questi lampi. È come avere una squadra di telecamere ad alta velocità che cerca di catturare l'esatto momento in cui un ballerino ruota e la luce che emette.

2. Ordinare il caos: La scoperta delle "Due Gruppi"

I rilevatori hanno registrato migliaia di lampi. La parte complicata era che l'esperimento ha accidentalmente creato un atomo leggermente diverso (Prometio-149), che stava anche emettendo lampi. Era come cercare di ordinare un mucchio di biglie rosse e blu mescolate.

Il trucco: Il team ha eseguito l'esperimento a due diverse velocità (energie del fascio). Hanno notato che le "biglie rosse" (149Pm) si comportavano in un modo, mentre le "biglie blu" (150Pm) si comportavano in un altro. Confrontando i dati delle due velocità, sono riusciti a filtrare il rumore e a isolare i veri segnali del 150Pm.
Il risultato: Hanno mappato con successo lo "schema dei livelli". Pensate a questo come al disegno della planimetria di un edificio. Hanno trovato 15 nuovi livelli di energia (stanze) e 16 nuovi corridoi (transizioni di raggi gamma) che nessuno aveva mai visto prima.

3. Le mosse di danza: Spin e Parità

Nella fisica nucleare, ogni livello di energia ha uno "spin" (quanto velocemente ruota) e una "parità" (se è l'immagine speculare di se stesso o se è invertito).

Lo stato fondamentale: La domanda più importante era: qual è la posa "predefinita" di questo atomo? Studi precedenti discutevano se fosse una posa "1-meno" o "2-meno".
Il verdetto: Combinando i loro nuovi dati con le simulazioni al computer (Modelli a Guscio/Shell Models), il team ha concluso che lo stato fondamentale è 1-meno.
Il vicino stretto: Hanno anche trovato uno stato molto vicino allo stato fondamentale (a soli 50 keV di distanza, che è come un sussurro in una stanza rumorosa) che ha uno spin 2-meno.
L'isomero: Hanno identificato uno stato "metastabile" (un isomero) con uno spin 6-meno. Immaginate questo come un ballerino che rimane bloccato in una posa difficile per una frazione di secondo prima di tornare bruscamente alla posizione normale.

4. Cronometrare la danza: Tempi di vita

Il team voleva sapere quanto tempo l'atomo rimane in questi stati eccitati prima di scendere al piano terra.

La tecnica: Hanno usato un metodo chiamato "Differenza di Centroide Generalizzata". Immaginate due corridori che partono con un leggero ritardo l'uno rispetto all'altro. Misurando la minuscola differenza nel momento in cui attraversano il traguardo, potete calcolare la loro velocità.
La scoperta: Hanno misurato il "tempo di vita" di due livelli specifici. Entrambi erano incredibilmente veloci, durando meno di 2 nanosecondi (miliardesimi di secondo). Questo ci dice che questi stati sono molto instabili e decadono quasi istantaneamente.

5. La simulazione al computer: La teoria corrispondeva?

Per dare un senso alle loro osservazioni, il team ha eseguito due tipi di simulazioni al computer:

Il Modello Sferico: Tratta il nucleo come una pallina liscia. Ha previsto con successo lo stato fondamentale e i livelli vicini a bassa energia, confermando che le singole particelle (protoni e neutroni) sono i ballerini principali qui.
Il Modello a Guscio Proiettato (Projected Shell Model): Tratta il nucleo come un pallone da rugby leggermente schiacciato. Questo modello ha aiutato a spiegare le "strutture a banda" (band structures)—gruppi di livelli di energia che sembrano una scala. Ha suggerito che questi livelli sono formati da coppie di quasi-particelle (coppie protone-neutrone) che danzano insieme.

Riassunto

In termini semplici, questo articolo è una mappa dettagliata di un nucleo atomico transizionale molto instabile. Il team:

Ha creato l'atomo usando un acceleratore di particelle.
Ha filtrato il rumore di fondo per trovare 15 nuovi livelli di energia.
Ha determinato che lo stato "predefinito" dell'atomo è uno spin 1-meno.
Ha trovato un vicino 2-meno e un isomero 6-meno più elevato.
Ha misurato che questi stati eccitati scompaiono in meno di 2 nanosecondi.
Ha confermato che i modelli computazionali di singole particelle e di coppie di ballerini possono spiegare la maggior parte di ciò che hanno visto.

L'articolo conclude che, sebbene abbiano compiuto un enorme passo avanti nella comprensione di questo specifico nucleo, la "pista da ballo" è complessa e sono necessarie ulteriori misurazioni ad alta risoluzione per comprendere appieno gli stati a parità positiva (l'altro lato della pista da ballo) che gli attuali modelli non sono riusciti a prevedere del tutto.

Sintesi Tecnica: Eccitazioni a Bassa Energia in $^{150}\text{Pm}$

Problematica
La struttura nucleare dei nuclei dispari-dispari nella regione transizionale $A \sim 150$ , specificamente per $^{150}\text{Pm}$ ( $Z=61, N=89$ ), rimane scarsamente compresa nonostante la sua importanza nella transizione di fase quantistica della forma (QPT) da vibratori sferici a rotatori deformati. Questo nucleo si colloca tra la simmetria $X(5)$ che presenta i vicini parità-pari $^{150}\text{Nd}$ e $^{152}\text{Sm}$ . I dati sperimentali esistenti su $^{150}\text{Pm}$ sono scarsi, con rapporti contrastanti riguardanti lo spin-parità dello stato fondamentale ( $J^\pi$ ). Mentre alcuni studi suggeriscono uno stato fondamentale $1^-$ basandosi sulle misure di intensità del decadimento $\beta$ , altri propongono uno stato fondamentale $2^-$ basandosi sui dati della reazione $(^3\text{He}, t)$ , assumendo spesso l'assenza di uno stato $1^-$ nelle vicinanze. Inoltre, l'esistenza e la natura degli isomeri a bassa energia, che potrebbero influenzare la nucleosintesi attraverso il processo di cattura neutronica lenta, e lo sviluppo delle strutture a bande in questo sistema dispari-dispari richiedono chiarimenti. La scarsità di dati è attribuita alla difficoltà di popolare questi stati tramite bersagli stabili e alla mancanza di percorsi di decadimento $\beta adeguati.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato la reazione indotta da protoni $^{150}\text{Nd}(p,n)^{150}\text{Pm}$ presso il Variable Energy Cyclotron Centre (VECC), Kolkata. Un bersaglio altamente arricchito ( $97,65\%$ ) di $^{150}\text{Nd}$ è stato irradiato con fasci di protoni a due energie, 8 MeV e 9 MeV. I raggi $\gamma$ di decadimento sono stati rilevati tramite l'Indian National Gamma Array (INGA), composto da cinque rivelatori Clover HPGe con soppressione BGO e un rivelatore Ge planare segmentato (LEPS).

Analisi dei dati:

Analisi della Funzione di Eccitazione: Confronto delle rese dei raggi $\gamma$ singles a 8 MeV e 9 MeV per distinguere le transizioni appartenenti a $^{150}\text{Pm}$ dal contaminante $^{149}\text{Pm}$ , utilizzando un fattore di normalizzazione basato sulla linea di 211 keV di $^{149}\text{Pm}$ .
Analisi di Coincidenza: Costruzione di matrici $\gamma-\gamma$ simmetriche (Clover-Clover) e asimmetriche (Clover-LEPS) per stabilire gli schemi di livelli e collocare le nuove transizioni.
Misurazioni di Intensità: Determinazione delle intensità relative utilizzando proiezioni totali e filtrate della matrice $\gamma-\gamma$ .
Assegnazione Spin-Parità: Impiego di un'analisi limitata della distribuzione angolare (utilizzando i rivelatori a $86,5^\circ$ , $93,5^\circ$ e $125^\circ$ ) per estrarre i coefficienti di distribuzione angolare ( $a_2$ ) e inferire le molteplicità.
Analisi della Vita Media: Stima delle vite medie per due livelli eccitati utilizzando la tecnica del Generalized Centroid Difference (GCD) con rivelatori Ge nell'ordine dei nanosecondi, calibrata rispetto alle vite medie note in $^{149}\text{Pm}$ e $^{150}\text{Sm}$ .
Modellazione Teorica: Esecuzione di calcoli Large Basis Spherical Shell Model (LBSM) utilizzando NuShellX@MSU con un core inerte di $^{132}\text{Sn}$ per vincolare le proprietà dello stato fondamentale. Inoltre, sono stati condotti calcoli del Projected Shell Model (PSM) utilizzando un campo medio deformato per interpretare le strutture a bande e le configurazioni di quasi-particella.

Contributi Chiave e Risultati

Costruzione dello Schema di Livelli: Lo studio ha identificato e collocato 16 nuovi raggi $\gamma$ e 15 nuovi livelli di energia nello schema dei livelli di $^{150}\text{Pm}$ . Tre raggi $\gamma$ precedentemente noti (76,6, 159,2 e 229,5 keV) sono stati riposizionati all'interno dello schema.
Assegnazione dello Stato Fondamentale: Sulla base dei dati di distribuzione angolare, delle previsioni del modello a shell e di argomentazioni fenomenologiche, lo stato fondamentale di $^{150}\text{Pm}$ è assegnato a uno spin-parità $1^-$ . Uno stato $2^-$ molto vicino è proposto a circa 50 keV (specificamente 31 keV nei calcoli del modello a shell), il che potrebbe spiegare le precedenti assegnazioni contrastanti.
Stato Isomerico: È stato identificato uno stato isomerico $6^-$ a bassa energia. Un secondo gruppo di livelli (inclusi 177,2+X, 336,4+X e 454,8+X keV) è stato provvisoriamente collocato su questo stato isomerico, distinto dalla banda dello stato fondamentale.
Strutture a Bande: I dati rivelano l'emergere di strutture di tipo banda. Sono state proposte bande a parità negativa (B1, B2, B3) e bande a parità positiva (B4, B5). La banda B1 è identificata come la sequenza yrast.
Misurazioni della Vita Media: Le vite medie per i livelli di 128,3 keV e 177,2+X keV sono state stimate essere inferiori a 2 ns utilizzando la tecnica GCD.
Interpretazione Teorica:
- Modello a Shell: Il calcolo LBSM ha riprodotto con successo lo stato fondamentale $1^-$ e le configurazioni protone-neutrone dominanti ( $\pi g_{7/2} \otimes \nu f_{7/2}$ ) per gli stati a parità negativa a bassa energia. Tuttavia, ha previsto una densità di livelli inferiore a quella osservata e non è riuscito a prevedere gli stati a parità positiva a bassa energia, probabilmente a causa delle troncature dello spazio del modello.
- Projected Shell Model: I calcoli PSM, incorporando la deformazione ( $\epsilon \approx 0,208$ ), hanno fornito una descrizione ragionevole delle strutture di banda rotazionale e delle configurazioni di quasi-particella, supportando l'interpretazione delle sequenze osservate come bande di quasi-particelle.

Significato
Il lavoro afferma che questa ricerca fornisce lo schema di livelli a bassa energia più completo per $^{150}\text{Pm}$ ad oggi, risolvendo le ambiguità riguardanti lo spin-parità dello stato fondamentale confermando l'assegnazione $1^-$ . L'identificazione di un isomero $6^-$ a bassa energia e la caratterizzazione delle strutture a bande emergenti offrono intuizioni critiche sull'interazione tra eccitazioni a singola particella e comportamento rotazionale collettivo nei nuclei dispari-dispari vicino alla transizione di forma $N=90$ . I risultati fungono da benchmark per comprendere la simmetria del punto critico in questa regione di massa e sottolineano la necessità di spettroscopia ad alta risoluzione per mappare completamente la struttura di questi nuclei transizionali. Gli autori osservano che, sebbene i dati attuali supportino le assegnazioni proposte, sono necessarie misurazioni future che coinvolgano reazioni di fusione-evaporazione o di trasferimento con capacità di distribuzione angolare e polarizzazione per assegnazioni definitive dello spin-parità.