⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

TRIUMFのGRIFFIN分光器を用いて、研究者らは $^{148}$ Dyにおいて46(3) W.u.の増強された電気八重極遷移強度を測定し、これは $Z=64$ を超えた顕著な八重極集団性の直接的な証拠であり、従来の八重極マジック数から遠く離れた場所までこの現象の既知の境界を拡張するものである。

原著者： 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

公開日 2026-09-21

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CC BY 4.0

原著者： 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

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

あらゆる原子の核には、プロトン（陽子）と中性子の密な集まりである原子核が存在し、通常は完全な球形またはわずかに扁平な形状をしています。数十年にわたり、物理学者は特定の条件下において、これらの原子核が、一端が他方よりもわずかに重い「梨形」へと引き伸ばされる可能性があることを知っていました。この特異な形状は、内部の粒子による微妙な綱引きによって生じ、球体の対称性を破る歪みを作り出します。科学者たちがこれらの梨形原子核に深い関心を寄せているのは、それらが、なぜ宇宙が反物質ではなく物質で構成されているのかを理解するための鍵を握っている可能性があるからです。これらを見つけ出すために、研究者たちは、この梨形の形状が現れる可能性が最も高い特定のプロトンと中性子の組み合わせ、すなわち、梯子の安定した踏み板のような役割を果たす特定の「魔法数」の近くを探しています。

研究チームは現在、これらの梨形の形状がどこに存在するのかをマッピングする上で、大きな一歩を踏み出しました。彼らはジスプロシウムという元素の同位体に焦点を当てました。具体的には、66個のプロトンと82個の中性子を持つ原子です。この原子の崩壊を研究することで、彼らは「電気的オクトポール遷移強度」と呼ばれる特性を測定することができました。簡単に言えば、この測定は、原子核がいかに容易に梨形から元の丸い形状に戻るか、あるいは、いかに強くその梨形のようなモードで振動するかを示しています。この信号が強いほど、原子核内の梨形の形状がより顕著であることを意味します。この特定の測定は、信号が微弱であり、他のより一般的な種類の核崩壊によってかき消されやすいため、非常に困難な作業として知られています。

この捉えどころのない信号を捉えるために、チームはカナダの主要な研究施設において、ジスプロシウム原子のビームを作成しました。彼らは高エネルギーのプロトンで標的を爆撃して、元素の希少で不安定なバージョンを作り出し、それをろ過して減速させ、観測に最適な状態に整えました。これらの原子は、高度な検出器アレイに囲まれたテープシステムに注入されました。原子が崩壊する際、それらはガンマ線、すなわち高エネルギーの光のフラッシュを放出します。研究者たちは、励起された原子核がエネルギーを放出するまでに正確にどれくらい待機したかを測定するために、特殊なタイミング技術を用いました。この精密なタイミングと、原子核が中間ステップを経由せずに直接基底状態へとエネルギーを放出することを選択した頻度を組み合わせることで、彼らはオクトポール振動の強さを算出することができました。

結果は驚くべきものでした。チームはこのジスプロシウム同位体の遷移強度が46ユニットであることを突き止めましたが、これはこの特定の元素の連鎖の中でこれまでで最大の測定値です。この発見は、梨形の形成傾向が、以前に知られていたプロトン数64の境界で止まることなく、少なくとも66プロトンにまで及んでいることを裏付けています。データは、これらの形状が最も顕著になる原子チャートの領域が、予想よりも広いことを示唆しており、私たちがそれらを発見すると予想する限界を押し広げています。この測定は単なる数字ではありません。これは、この特定の原子における強化されたオクトポール集団性の直接的な証拠であり、強い梨形のような振動を示していますが、これがこの領域における永久的に安定した変形を表しているかどうかは、依然として未解決の問いです。

研究者たちは、実験結果を、原子の挙動を予測するために設計された複雑なコンピュータ・シミュレーションと比較しました。いくつかの理論モデルは近似したものの、どのモデルもこのジスプロシウム原子で観察された強度の大きさを完全には予測できませんでした。シミュレーションは、その効果はより弱いであろうと示唆していたか、あるいはデータの急激な上昇を捉えきれていませんでした。理論と測定値の間のこのギャップは、これらの形状を作り出すプロトンと中性子の相互作用に関する現在の私たちの理解が、まだ不完全であることを浮き彫りにしています。モデルは、以前は重要ではないと考えられていたエネルギーギャップを粒子が移動する特定の方法を考慮するように、洗練される必要があります。

この研究は、単にチャートにデータポイントを追加する以上のことを行っています。それは、私たちがこのようなエキゾチックな形状をどこで探すべきかという境界線を再定義するものです。この発見は、「梨形」の領域が、科学者が予想していたよりも重い元素の方へと広がっていることを示唆しています。また、まだこれほどの精度で研究されていない他の近接する同位体が、さらに強い梨形の特徴を持っている可能性を示唆しています。これらの知見は、将来の実験への明確な方向性を提示しており、この傾向が続くかどうかを確認するために、さらに重い元素を調査することを研究者に促しています。これらの形状がどこで最も強くなるのかを正確に特定することで、本研究は、推測や間接的なヒントに頼ることなく、私たちの周囲の物質を形作る基礎的な力を理解することに近づいています。

技術要約： $^{148}\text{Dy}$ における増強された八重極集団性の直接測定

問題提起
反射対称性の破れに起因する「梨型」核の存在は、長距離の八重極－八重極相関によって駆動されており、これは $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ だけ異なる一対の軌道がフェルミ面付近に存在するときに最も強くなる。これまでに、アクチノイド領域（ $Z \sim 88, N \sim 134$ ）およびランタノイド領域（ $Z \sim 56, N \sim 88$ ）に対して多大な理論的・実験的焦点が当てられてきたが、増強された八重極集団性の正確な境界は依然として不明である。具体的には、 $N=82$ アイソトーン鎖において、 $Z=50$ から $Z=64$ にかけて $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ 遷移強度が上昇することが観察されてきたが、この傾向が $Z=64$ （ガドリニウム）を超えても続くのか、あるいはGd同位体がこの領域における集団性のピークを代表しているのかは不明であった。さらに、電気八重極（E3）遷移は、許容されるE1またはE2遷移と競合して強度が弱くなることが多いため、E3遷移強度の実験的アクセスは困難である。

手法
著者らは、 $^{148}\text{Dy}$ における $3^-_1$ 準位の平均寿命およびその基底状態への崩壊分岐比の直接測定を行った。

生成: $^{148}\text{Dy}$ の励起状態は、 $^{148m}\text{Ho}$ （ $T_{1/2} = 9.60(13)$ s）の $\beta^+$ /EC崩壊によって生成された。このイソマーは、TRIUMF ISAC-I施設においてタンタル標的に480-MeVの陽子を照射することで生成された。
ビーム精製: アイソバー（同重体）不純物を抑制するためにレーザーイオン源を用いてHo原子をイオン化し、質量分離を行うことで純粋な $^{148}\text{Ho}$ ビームを生成し、これをGRIFFIN分光器の中心にあるマイラーテープに注入した。
検出: 15個のHPGeクローバー検出器と、能動的なアンチコンプトン遮蔽を備えた8個のLaBr $_3$ (Ce)高速シンチレータ検出器で構成されるGRIFFIN分光器を用いて、崩壊データを収集した。
寿命測定: $3^-_1$ 準位の平均寿命は、一般化重心差（GCD）法を用いて決定された。これは、LaBr $_3$ (Ce)検出器を用い、供給遷移（ $5^-_1 \to 3^-_1$ , 660.8 keV）と崩壊遷移（ $3^-_1 \to 0^+_1$ , 1687.5 keV および $3^-_1 \to 2^+_1$ , 1677.5 keV）の間の時間差を測定することを含む。
分岐比: 基底状態への分岐比の絶対的な $\gamma$ 線分岐比は、 $3^-_1$ への遷移を供給する遷移との共鳴における1687-keV（E3）遷移と1677-keV（E2）遷移の強度比を測定することによって導出された。観測されていない10-keVのE1遷移の寄与は、内部転換係数を用いて考慮された。
解析: コンプトン背景時間の時間相関および検出器系のエネルギー依存的なプロンプト応答差（PRD）に関する補正を含むデータ解析が行われた。

主要な結果

平均寿命: $^{148}\text{Dy}$ における $3^-_1$ 準位の平均寿命は、 $\tau = 640(38)$ psと決定された。この値は、畳み込み法（convolution method）から得られた結果（ $\tau = 640(25)$ ps）と一致していた。
分岐比: $3^-_1 \to 0^+_1$ 遷移の基底状態への分岐比は、 $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0.862(11)$ と測定された。
遷移強度: 寿命と分岐比を組み合わせることで、簡約電気八重極遷移強度が $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u. と計算された。
比較: この値は、 $N=82$ アイソトーン鎖全体の中で測定された最大の $B(E3)$ 強度であり、ランタノイド領域においても最大級の強度である。

理論的背景および比較
実験結果は、SkI3およびSkM* Skyrmeエネルギー密度汎関数を用いた準粒子ランダム位相近似（QRPA）計算、および大規模シェルモデル（SM）計算と比較された。

QRPA: SkM*相互作用は、より軽いアイソトーン（ $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ）のデータを再現したが、 $^{148}\text{Dy}$ で見られる増強を著しく過小評価した。SkI3相互作用は $^{148}\text{Dy}$ の結果を再現したが、 $^{146}\text{Gd}$ における強度を過大評価した。両モデルは、増強が $\pi 1d_{5/2}$ 軌道の占有率増加と $\pi 0h_{11/2}$ 軌道の利用可能性によって駆動されていることを示唆しているが、どちらのモデルも $^{146}\text{Gd}$ から $^{148}\text{Dy}$ への増強の大きさを完全には捉えきれていない。
シェルモデル: 標準的なSM計算は、 $B(E3)$ 値を2倍の係数で過小評価した。 $^{132}\text{Sn}$ コアを参照することで欠落しているクロスシェル中性子励起を考慮したシフトSMアプローチは、より良いベースラインを提供したが、それでも $^{146}\text{Gd}$ と $^{148}\text{Dy}$ の間の大きな増加を再現するには至らなかった。

意義および主張
著者らは、本研究が $Z=64$ を超えた増強された八重極集団性の直接的な証拠を提供しており、伝統的な「八重極魔法数」（ $Z=56, N=88$ ）から遠く離れた場所まで既知の境界を拡張していると主張している。

この測定は、 $B(E3)$ 強度の増加傾向が準二重魔法核である $^{146}\text{Gd}$ を通過して継続し、 $N=82$ 鎖内の $^{148}\text{Dy}$ で最大に達することを裏付けている。
この結果は既存の理論モデル（QRPAおよびSM）に課題を突きつけており、クロスシェル八重極相関のより正確な記述の必要性を示している。
著者らは、系統性とQRPAの予測に基づき、より重いジスプロシウム同位体（ $^{150,152}\text{Dy}$ ）やエルビウムおよびイッテルビウムの同位体がさらに大きな $B(E3)$ 強度を持つ可能性があり、八重極集団性の限界を完全にマッピングするための将来の実験的研究を動機付けていると示唆している。
本研究は、E3崩壊が実験的にアクセス可能な核において、 $B(E3)$ 値を決定するためのクーロン励起の補完的なアプローチとして、高速タイミング技術と分岐比測定の組み合わせが有効であることを示している。

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