Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

本論文は熱中性子捕獲を用いた$^{118}$Snにおける$0^+_3$状態の寿命の初測定を報告するものであり、観測された増大した$E0$遷移強度は複数の形状共存に対する説得力のある証拠を提供し、これはスズ同位体において三つの異なる原子核形状を予測する理論計算によって裏付けられた知見である。

要約

原子核を、小さくて賑やかなダンスフロアだと想像してみてください。通常、スズ（Sn）のような特定の「半魔法」原子では、ダンサーたち（陽子と中性子）は完璧な丸い円の中に静止することを好みます。これが彼らの居心地の良い球形の姿です。

しかし、この新しい研究は、質量数 118 周辺のスズ同位体において、ダンスフロアが実際には3 つの異なるダンススタイルが全く同じ瞬間に繰り広げられている、荒れ狂うパーティーを主催していることを明らかにしました。この現象は「多重形状共存」と呼ばれます。

以下に、科学者たちが発見したことを簡単に解説します。

1. 「侵入者」ダンサーの謎

長い間、物理学者たちはスズ原子が、たまに丸い形状から伸びきったフットボールのような形状（「長球形」と呼ばれる）に切り替わることを知っていました。彼らはこれを、丸い対フットボールという 2 つのスタイル間の単純な切り替えだと考えていました。

しかし、パズルに欠けたピースがありました。スズ -118 原子には、$0^+_3$状態と呼ばれる特定の励起状態（高エネルギーのダンスムーブ）が存在します。科学者たちはその存在を知っていましたが、それが変化するまでの寿命がどれくらいかを知りませんでした。「寿命」がわからないままでは、それが他の 2 つのスタイルとは明確に異なる第 3 のダンススタイルなのか、それとも単に他の 2 つがごちゃ混ぜになったものなのかを判断できませんでした。

2. ストップウォッチ実験

これを解決するため、研究チームはフランスの研究所（ラウエ・ランジェン研究所）に行き、高速カメラのように振る舞いました。

• セットアップ: 彼らはスズ -117 の標的に低速中性子を衝突させました。中性子が捕獲されると、原子はスズ -118 になり、超励起状態になります。
• レース: 原子が落ち着くにつれて、ガンマ線（光の閃光）を放出しました。科学者たちは、驚くほど高速なストップウォッチとして機能する特殊な検出器（LaBr3 結晶）を使用しました。
• 測定: 彼らは、謎の$0^+_3$状態が崩壊するまで正確にどれくらい存在したかを計測しました。その結果、約74 ピコ秒（0.000000000074 秒）間存在することがわかりました。

3. 「変身」の証拠

寿命を知ることで、彼らは遷移中に原子の形状がどの程度変化したかを計算できました。

• 比喩: 2 人のダンサーを想像してください。もし彼らが非常に似ていれば、あまり努力せずに簡単に場所を交代できます。しかし、彼らが非常に異なっている場合（一人はバレリーナ、もう一人はブレイクダンサー）、彼らの間で切り替えるのは、巨大で劇的なジャンプになります。
• 結果: 科学者たちは、第 2 励起状態と第 3 励起状態の間で、巨大な「ジャンプ」（E0 遷移強度と呼ばれる）を測定しました。この巨大なジャンプは、これら 2 つの状態が本質的に異なる形状であることを証明しました。

4. 3 者の共存

新しいストップウォッチデータと、仮想物理学実験室として機能する高度なコンピュータシミュレーションを組み合わせることで、彼らはスズ -118（およびその隣接するスズ -116 とスズ -120）が単に 2 つの形状の間を切り替えているのではなく、3 つの明確な形状を同時に保持していることを結論付けました。

1. 球形のボール: 通常の丸い基底状態。
2. 長球形のフットボール: 伸びきった形状（ラグビーボールのように）。
3. 扁平なパンケーキ: 平らな形状（パンケーキやフリスビーのように）。

この論文は、「侵入者」状態（励起状態）が実際には、支配権を争うこれらの異なる形状であることを示唆しています。$0^+_2$状態は主に「フットボール」であり、新しく測定された$0^+_3$状態はおそらく「パンケーキ」です。

なぜこれが重要なのか

これは稀有な発見です。通常、原子核内で共存するのは 2 つの形状だけです。同じ原子の中で3 つの形状を見つけることは、丸いテーブル、長いダイニングテーブル、そして平らなコーヒーテーブルが、すべて同時に同じ空間を占有している部屋を見つけるようなものです。

研究者たちは、これを確認するために（ジェネレーター座標法と呼ばれる）高度なコンピュータモデルを使用しました。このモデルは、これら 3 つの形状が、数学を無理やり適合させる必要もなく、陽子と中性子の相互作用の仕方から自然に現れることを示しました。

要約すると: 科学者たちはついに一瞬の原子状態の時間を計測し、その計測結果が、スズ原子が単に丸いのか伸びきっているのかだけでなく、同時に 3 つの異なる形態を保持できる複雑な変身能力を持っていることを証明しました。

技術概要

技術的サマリー：$^{118}$Sn 近傍における複数の形状共存：初の $0^+_3$ 状態の寿命測定

問題提起
半魔法数スズ（Sn）同位体（$Z=50$）は、特に形状共存に関する原子核構造研究の基準系である。中性子ミッドシェル領域（$^{112-118}$Sn）において、約 2 MeV 付近の励起 $0^+$ 状態は、$Z=50$ 殻ギャップを跨ぐ陽子の 2 粒子 -2 ホール（2p-2h）励起に起因すると解釈され、球形の基底状態とは異なる長軸変形（プロレート変形）を持つイントレーダーバンドを形成する。$0^+$ バンドヘッド間の増大した電気単極（E0）遷移は形状混合の分光学的特徴となるが、$^{118}$Sn における共存の完全な理解は、不完全な寿命データによって妨げられてきた。具体的には、$^{118}$Sn における第 3 励起 $0^+$ 状態（$0^+_3$）の寿命は以前は未知であり、広範な限界値（$60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$）のみが利用可能であった。この正確な寿命情報の欠如は、E0 遷移強度 $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ の計算を不可能にし、$0^+_2$ と $0^+_3$ 状態間の混合の性質および複数の異なる形状の存在可能性を未解決のまま残していた。

手法
このギャップに対処するため、著者らは熱中性子捕獲に続く高速タイミング技術を用いて、$^{118}$Sn の $0^+_3$ 状態の直接寿命測定を行った。

• 実験: 実験は、Fission Product Prompt gamma-ray Spectrometer（FIPPS）を用いて、Institut Laue-Langevin（ILL）において実施された。89.2% 濃縮された $^{117}$Sn の粉末標的を熱中性子で照射した。
• 検出: 装置には、タイミング測定用に 15 個の $LaBr_3$ 高速タイミング検出器（約 $45^\circ$ および $135^\circ$ に配置）と、エネルギー分解能用に 8 個のコンプトン抑制型高純度ゲルマニウム（HPGe）クローバー検出器（$90^\circ$ に配置）が使用された。
• データ解析: 状態は $(n, \gamma)$ 反応を通じて励起された。寿命は一般化重心差（GCD）法を用いて抽出された。解析は、捕獲状態（$S_n = 9326$ keV）から $0^+_3$ 状態への崩壊カスケード、およびその後の崩壊を分離するために、三重ガンマ線一致（$\gamma\gamma\gamma$）に焦点を当てた。一次 $\gamma$ 線（4765 keV）および特定の供給/崩壊遷移（2504 keV および 827 keV）をゲートとして用いることで、背景を最小化した。「遅延」と「非遅延」の時間分布間の重心差（$\Delta C$）を測定し、即時応答差（PRD）で補正して寿命を抽出した。
• 理論的モデリング: 実験結果を解釈するため、著者らは多参照共変密度汎関数理論（MR-CDFT）と生成座標法（GCM）を組み合わせて用いた。この手法は、実験的励起エネルギーに自由パラメータを調整することなく、相対論的エネルギー密度汎関数を使用する。これは、四極変形（$\beta_2$）が異なる対称性を保存する平均場状態の重ね合わせとして集団波動関数を構築し、形状混合と共存を記述する。

主要な結果

• 寿命測定: $^{118}$Sn の $0^+_3$ 状態の寿命は、$\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps と決定された。この値は、3 つの異なるカスケード（一次 $\gamma$ 線が 4765、4407、4972 keV）を含む測定の加重平均から導き出された。
• 遷移強度: 測定された寿命を用いて、縮小遷移確率 $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ は $0.80(14)$ W.u. と計算された。既存の $X(E0/E2)$ データと組み合わせることで、E0 遷移強度が決定された：
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2.0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$（150(30) ミリ単位）。
• 理論との一致: MR-CDFT 計算は、$^{116,118,120}$Sn の低励起エネルギー準位と遷移強度を成功裡に再現した。計算により、$0^+_1$ 状態はほぼ球形（$\pi 1p-1h$）であり、$0^+_2$ 状態は長軸形状（$^{116,118}$Sn における $\pi 4p-4h$）に支配されており、$0^+_3$ 状態は扁平形状（$\pi 2p-2h$ から $\pi 3p-3h$ へ進化）に対応することが明らかになった。理論結果は、$0^+_2$ と $0^+_3$ 状態間の大きな形状差（$\Delta \beta_2 > 0.24$）を確認した。

意義と主張
この研究の主な意義は、半魔法数 $^{118}$Sn 原子核における複数の形状共存の初の実験的確認にある。

• 3 つの形状の証拠: 150(30) ミリ単位という大きく観測された $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ 値は、著しく異なる形状を持つ状態間の強い混合の強力な証拠を提供する。既知の球形基底状態と長軸イントレーダーバンドと組み合わせることで、著者らは球形、長軸、および扁平という 3 つの異なる形状の共存を提案する。
• 系統的傾向: この発見は、複数の形状共存の観測を隣接する $^{116}$Sn および $^{120}$Sn 同位体へと拡張し、Sn 同位体の中性子ミッドシェル領域全体にわたる系統的な現象を示唆する。
• モデルの検証: この研究は、理論モデルに $Z=50$ 閉殻を跨ぐ陽子励起と形状揺らぎを含める必要性を浮き彫りにしている。これらの複雑な遷移強度を再現する MR-CDFT 手法の成功は、$Z=50$ コアを用いた殻模型研究とは対照的であり、後者はこれらの特徴を捉えられない。
• 広範な文脈: 著者らは、複数の形状共存（3 つ以上の形状を含む）は以前認識されていたよりも一般的である可能性を指摘し、Ni、Pb、Cd 同位体で観測された同様の現象との類似性を引き合いに出している。

本論文は、MR-CDFT が遷移強度をよく再現する一方で、励起エネルギーの過大評価は、時間奇数成分や明示的な非集団的準粒子配置の導入などの将来の改良を必要としていると結論づけている。著者らは、$0^+_3$ 状態に基づく回転バンドの探索のための融合蒸発反応や、$(\beta_2, \gamma)$ 平面のマッピングのためのクーロン励起研究など、複数の形状共存シナリオを確立するためのさらなる実験的作業が必要であると指摘している。