⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

Utilizzando lo spettrometro GRIFFIN presso il TRIUMF, i ricercatori hanno misurato una forza di transizione ottupolo elettrica potenziata di 46(3) W.u. in $^{148}$ Dy, fornendo una prova diretta di una significativa collettività ottupolo oltre $Z=64$ e estendendo i confini noti di questo fenomeno lontano dai tradizionali numeri magici ottupolo.

Autori originali: 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

Pubblicato 2026-09-21

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CC BY 4.0

Autori originali: 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

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

Nel cuore di ogni atomo giace un nucleo, un denso ammasso di protoni e neutroni che solitamente mantiene una forma perfettamente rotonda o leggermente schiacciata. Per decenni, i fisici hanno saputo che, in condizioni specifiche, questi nuclei possono allungarsi in una forma a pera, dove un'estremità è leggermente più pesante dell'altra. Questa forma insolita nasce da un sottile tiro alla cima tra le particelle all'interno, creando una distorsione che rompe la simmetria della sfera. Gli scienziati sono profondamente interessati a questi nuclei a forma di pera perché potrebbero detenere la chiave per comprendere perché l'universo sia fatto di materia piuttosto che di antimateria. Per trovarli, i ricercatori cercano combinazioni specifiche di protoni e neutroni dove questa forma a pera ha maggiori probabilità di apparire, spesso vicino a certi numeri "magici" che agiscono come pioli stabili su una scala.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo significativo nell'mappare dove esistono queste forme a pera. Si sono concentrati su un isotopo dell'elemento disprosio, nello specifico un atomo con 66 protoni e 82 neutroni. Studiando come questo atomo decade, sono stati in grado di misurare una proprietà chiamata forza di transizione ottupolo elettrico. In termini semplici, questa misurazione ci dice quanto facilmente il nucleo possa passare da una forma a pera a una forma rotonda, o quanto fortemente vibri in questa modalità simile a una pera. Più forte è questo segnale, più pronunciata è la forma a pera all'interno del nucleo. Questa misurazione specifica è notoriamente difficile da eseguire perché i segnali sono deboli e vengono facilmente sovrastati da altri tipi di decadimento nucleare più comuni.

Per catturare questo segnale elusivo, il team ha creato un fascio di atomi di disprosio presso una importante struttura di ricerca in Canada. Hanno bombardato un bersaglio con protoni ad alta energia per creare una versione rara e instabile dell'elemento, che hanno poi filtrato e rallentato finché non è stata perfetta per l'osservazione. Questi atomi sono stati impiantati in un sistema a nastro circondato da un sofisticato array di rilevatori. Mentre gli atomi decadevano, emettevano raggi gamma, che sono lampi di luce ad alta energia. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica di temporizzazione specializzata per misurare esattamente quanto tempo il nucleo eccitato abbia aspettato prima di rilasciare la sua energia. Combinando questa temporizzazione precisa con il conteggio di quante volte il nucleo ha scelto di rilasciare energia direttamente allo stato fondamentale rispetto al prendere una deviazione attraverso un passaggio intermedio, sono riusciti a calcolare la forza della vibrazione ottupolo.

I risultati sono stati sorprendenti. Il team ha determinato che la forza di transizione per questo isotopo di disprosio è di 46 unità, un valore che è il più grande mai misurato in questa specifica catena di elementi. Questa scoperta conferma che la tendenza a formare forme a pera non si ferma al precedentemente noto confine di 64 protoni, ma si estende oltre, raggiungendo almeno 66 protoni. I dati suggeriscono che la regione della tavola atomica in cui queste forme sono più prominenti è più grande di quanto precedentemente pensato, spingendo i limiti di dove ci aspettiamo di trovarle. Questa misurazione non è solo un numero; è una prova diretta di un potenziamento della collettività ottupolo in questo specifico atomo, indicando una forte vibrazione simile a una pera, sebbene rimanga una questione aperta se ciò rappresenti una deformazione permanentemente stabile in questa regione.

I ricercatori hanno confrontato i loro risultati sperimentali con complesse simulazioni al computer progettate per prevedere il comportamento nucleare. Sebbene alcuni dei modelli teorici si siano avvicinati, nessuno di essi ha previsto completamente l'entità della forza osservata nell'atomo di disprosio. Le simulazioni suggerivano che l'effetto sarebbe stato più debole, o non sono riuscite a catturare l'incremento netto visto nei dati. Questo divario tra la teoria e la misurazione evidenzia che la nostra attuale comprensione di come protoni e neutroni interagiscano per creare queste forme è ancora incompleta. I modelli devono essere perfezionati per tenere conto dei modi specifici in cui queste particelle si muovono attraverso lacune energetiche che precedentemente si pensava fossero meno significative.

Questo lavoro fa molto di più che aggiungere un punto dati a una tabella; ridefinisce i confini di dove dovremmo cercare queste forme esotiche. La scoperta implica che la regione "a forma di pera" si estende ulteriormente verso gli elementi più pesanti di quanto gli scienziati avessero anticipato. Suggerisce inoltre che altri isotopi vicini, che non sono ancora stati studiati con questo livello di precisione, potrebbero possedere caratteristiche simili alla pera ancora più forti. I risultati forniscono una direzione chiara per le esperienze future, esortando i ricercatori a guardare verso elementi ancora più pesanti per vedere se questa tendenza continua. Individuando esattamente dove queste forme sono più forti, lo studio ci avvicina alla comprenszione delle forze fondamentali che modellano la materia intorno a noi, senza fare affidamento su congetture o indizi indiretti.

Sintesi Tecnica: Misurazione Diretta della Collettività Ottupolo Potenziata in $^{148}\text{Dy}$

Problematica
L'esistenza di nuclei a forma di "pera", derivante dalla rottura della simmetria di riflessione, è guidata da correlazioni ottupolo-ottupolo a lungo raggio, che sono massime quando coppie di orbitali con differenza $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ si trovano vicino alla superficie di Fermi. Sebbene l'attenzione teorica e sperimentale si sia concentrata significativamente sulle regioni degli attinidi ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) e delle lantanidi ( $Z \sim 56, N \sim 88$ ), i confini precisi della collettività ottupolo potenziata rimangono poco chiari. Nello specifico, sebbene le intensità di transizione $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ siano state osservate aumentare da $Z=50$ a $Z=64$ all'interno della catena isotonica $N=82$ , non era noto se tale tendenza continuasse oltre $Z=64$ (Gadolinio) o se gli isotopi del Gd rappresentassero il picco di collettività in questa regione. Inoltre, l'accesso sperimentale alle intensità di transizione elettrico-ottupolo (E3) è complicato dal fatto che le transizioni E3 spesso competono in modo sfavorevole con le transizioni permesse E1 o E2.

Metodologia
Gli autori hanno eseguito una misurazione diretta del tempo medio di vita del livello $3^-_1$ in $^{148}\text{Dy}$ e della frazione di diramazione del suo decadimento.

Produzione: Gli stati eccitati in $^{148}\text{Dy}$ sono stati popolati tramite il decadimento $\beta^+$ /EC dell'isomero $5^-$ di $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9,60(13)$ s). L'isomero è stato prodotto bombardando un bersaglio di Tantalio con protoni da 480 MeV presso la struttura TRIUMF ISAC-I.
Purificazione del fascio: Gli atomi di Ho sono stati ionizzati utilizzando una sorgente ionica laser per sopprimere i contaminanti isobarici, seguiti da separazione di massa per produrre un fascio puro di $^{148}\text{Ho}$ , che è stato poi impiantato in un nastro di Mylar al centro dello spettrometro GRIFFIN.
Rilevazione: Lo spettrometro GRIFFIN, equipaggiato con 15 rivelatori HPGe clover e 8 rivelatori a scintillazione rapida $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ (con schermatura anti-Compton attiva), è stato utilizzato per raccogliere i dati di decadimento.
Misurazione del tempo di vita: Il tempo medio di vita del livello $3^-_1$ è stato determinato mediante il metodo del Centroide Generalizzato (GCD). Questo ha comportato la misurazione della differenza temporale tra la transizione di alimentazione ( $5^-_1 \to 3^-_1$ a 660,8 keV) e le transizioni di decadimento ( $3^-_1 \to 0^+_1$ a 1687,5 keV e $3^-_1 \to 2^+_1$ a 1677,5 keV) utilizzando i rivelatori $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ .
Frazione di diramazione: La frazione di diramazione assoluta $\gamma$ per la transizione $3^-_1 \to 0^+_1$ è stata derivata misurando il rapporto di intensità tra le transizioni a 1687 keV (E3) e 1677 keV (E2) in coincidenza con le transizioni che alimentano il livello $3^-_1$ . Il contributo della transizione E1 a 10 keV non osservata è stato tenuto conto utilizzando i coefficienti di conversione interna.
Analisi: L'analisi dei dati ha incluso correzioni per il fondo Compton delle correlazioni temporali e per la differenza di risposta prompt (PRD) dipendente dall'energia del sistema di rivelazione.

Risultati Chiave

Tempo medio di vita: Il tempo medio di vita del livello $3^-_1$ in $^{148}\text{Dy}$ è stato determinato essere $\tau = 640(38)$ ps. Questo valore è risultato coerente con i risultati ottenuti tramite il metodo di convoluzione ( $\tau = 640(25)$ ps).
Frazione di diramazione: La frazione di diramazione verso lo stato fondamentale per la transizione $3^-_1 \to 0^+_1$ è stata misurata come $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0,862(11)$ .
Intensità di transizione: Combinando il tempo di vita e la frazione di diramazione, è stata calcolata la forza di transizione elettrico-ottupolo ridotta come $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u.
Confronto: Questo valore rappresenta la più grande forza $B(E3)$ misurata in tutta la catena isotonica $N=82$ ed è una delle più grandi nella regione delle lantanidi.

Contesto Teorico e Confronto
I risultati sperimentali sono stati confrontati con calcoli Quasiparticle Random Phase Approximation (QRPA) utilizzando i funzionali di densità Skyrme SkI3 e SkM*, nonché con calcoli Large-Scale Shell-Model (SM).

QRPA: L'interazione SkM* ha riprodotto i dati per gli isotoni più leggeri ( $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ), ma ha sottostimato significativamente l'incremento osservato in $^{148}\text{Dy}$ . L'interazione SkI3 ha riprodotto il risultato di $^{148}\text{Dy}$ , ma ha sovrastimato la forza in $^{146}\text{Gd}$ . Entrambi i modelli suggeriscono che l'incremento sia guidato dall'aumento dell'occupazione dell'orbitale $\pi 1d_{5/2}$ e dalla disponibilità dell'orbitale $\pi 0h_{11/2}$ , ma nessuno dei due cattura appieno l'entità dell'incremento tra $^{146}\text{Gd}$ e $^{148}\text{Dy}$ .
Modello a Shell (SM): I calcoli SM standard hanno sottostimato i valori $B(E3)$ di un fattore due. Un approccio SM spostato, che tiene conto delle eccitazioni neutroniche cross-shell mancanti facendo riferimento al nucleo $^{132}\text{Sn}$ , ha fornito una base migliore ma ha comunque fallito nel riprodurre il grande incremento osservato tra $^{146}\text{Gd}$ e $^{148}\text{Dy}$ .

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro fornisce una prova diretta di una collettività ottupolo potenziata oltre $Z=64$ , estendendo i confini noti di questo fenomeno lontano dai tradizionali "numeri magici ottupolo" ( $Z=56, N=88$ ).

La misurazione conferma che la tendenza all'aumento della forza $B(E3)$ continua oltre il quasi-doppiamente-magico $^{146}\text{Gd}$ , raggiungendo un massimo in $^{148}\text{Dy}$ all'interno della catena $N=82$ .
Il risultato sfida i modelli teorici esistenti (QRPA e SM), indicando la necessità di descrizioni più accurate delle correlazioni ottupolo cross-shell.
Gli autori suggeriscono che, basandosi sulla sistematica e sulle previsioni QRPA, isotopi più pesanti del Disprosio ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) e isotopi di Erbio e Itterbio potrebbero possedere forze $B(E3)$ ancora maggiori, motivando futuri studi sperimentali in queste regioni per mappare completamente i limiti della collettività ottupolo.
Lo studio dimostra la validità delle tecniche di fast-timing combinate con le misurazioni della frazione di diramazione come approccio complementare all'eccitazione Coulombiana per determinare i valori $B(E3)$ in nuclei dove i decadimenti E3 sono sperimentalmente accessibili.

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