Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

あらゆる原子の核心部には、プロトン（陽子）とニュートロン（中性子）が密集したクラスターである原子核が存在しており、それは静止した粘土の塊というよりも、伸びたり、押しつぶされたり、振動したりできる液滴のように振る舞います。数十年にわたり、物理学者たちは、これらの微小な核がどのようにして結合を維持し、どのように形を変えるのかを理解するために研究を続けてきました。この分野における最も魅力的な謎の一つは、同時に二つの異なる形状で存在しているかのように見える原子に関するものです。原子核が、粒子数を変えることなく、ビリヤードの球のように完璧に丸い形であったり、突然、アメリカンフットボールのような形に伸びたりする様子を想像してみてください。この現象は「形状共存（shape coexistence）」として知られており、物質が最小スケールにおいてどのように自己組織化するかという私たちの理解に挑戦するものです。科学者たちは、スズの同位体と呼ばれる特定の原子族に注目しています。なぜなら、それらはこれらの形状変化を観察し、測定することができる、長く安定した事例の連鎖を提供してくれるからです。研究者たちは、これらの原子が異なる形状の間をどのように遷移するかを研究することで、あらゆる物質の構造を支配する根本的な規則を明らかにしたいと考えています。

最近の研究で、物理学者のチームは、質量数114から122までの特定のグループのスズ原子に注目しました。彼らは、これらの原子の一部で報告されている奇妙な異常、すなわち、原子核が標準的な期待を裏切るような振る舞いをしていることを示唆する測定値に特に関心を寄せました。具体的には、これらの原子がエネルギー準位間を跳躍する際、その跳躍の確率が、他の元素で見られるような滑らかなパターンに従いませんでした。代わりに、数値が臨界閾値を下回っており、これは原子の内部構造が予想よりも劇的に変化していることを示唆していました。この謎を解くために、研究者たちは、原子核を個々の粒子の集合体としてではなく、エネルギーの風景の中を移動する単一の物体として扱う数学的モデルを構築しました。彼らは、この風景を二つの明確な窪み（ウェル）を持つ谷として想像しました。一方の窪みは丸い球状を表し、もう一方は引き伸ばされた変形した形状を表します。原子核はいずれかの窪みに落ち着くこともでき、あるいは両方の混合状態として存在することもできます。

研究者たちは、この二重ウェルの風景を用いてスズ原子の挙動をシミュレートし、実験室で測定された実際のエネルギー準位と一致するかどうかを確認するために、谷の形状を調整しました。彼らは、これら二つの窪みの深さと幅を注意深く調整することで、モデルが異なるスズ同位体の実験データと正確に一致することを発見しました。シミュレーションの結果、グループ内の軽い原子や重い原子（例えば質量数114や122の原子）は、真ん中の原子とは全く異なる挙動を示すことが明らかになりました。軽い原子では、原子核はほぼ丸い形状から始まりますが、エネルギーを得て回転が速くなるにつれて、高度に引き伸ばされた形状へと突然かつ劇的な変化を遂げます。この構造の急激な変化により、丸い状態を表す波と引き伸ばされた状態を表す波がうまく重なり合わなくなります。これら二つの形状があまりにも異なるため、原子はその間の遷移に苦労し、その結果、科学者たちを困惑させていた異常に低い確率値が生じるのです。

質量数120および122のより重い原子については、状況はわずかに異なりますが、同様の結果をもたらします。ここでは、原子核は丸い形状と引き伸ばされた形状がほぼ等しく起こり得る状態に存在しており、原子が二つの非常に異なる構成のまま同時に存在する「二重人格」のような状態を作り出しています。この二重性もまた、エネルギー準位間の遷移を妨げ、確率を同じ低い閾値付近まで低下させます。グループの中間に位置する原子（質量数116および118）は、二つの形状がより滑らかに融合する、より混ざり合った挙動を示し、確率の急激な低下を回避します。研究では、これらの形状が互いにどのように混ざり合うかについても調査しました。あるケースでは、丸い構成と引き伸ばされた構成は明確に区別され、独立したままです。これは「混合を伴わない形状共存」として知られる現象です。別のケースでは、それらは互いに融合します。研究者たちは、これらの形状がどのように混ざり合うか、あるいは離れたままでいるかが、エネルギー準位間の遷移の強さを決定することを突き止めました。

自分たちのモデルを現実世界のデータに適合させることに成功することで、チームは異常な測定値に対して明確な説明を提供しました。彼らは、奇妙な遷移確率の低下はランダムなエラーや理論の破綻を示すものではなく、原子核が形状を変化させすぎていること、あるいは二つの相反する形状の中に同時に存在していることの直接的な帰結であることを証明しました。この研究は、これらのスズ原子の基底状態がほぼ球状であり、励起状態が十分に変形していることを裏付けています。この異常の鍵は、メイングループの中で最も高いスピンを持つ状態にあり、それが丸い世界と引き伸ばされた世界の間をつなぐ架け橋として機能していることにあります。この架け橋が二つの非常に異なる形状という基礎の上に築かれるとき、その接続は弱くなり、遷移確率が低下するのです。この研究は、原子の形状がどのように進化するかについての詳細な地図を提供しており、わずか数個の粒子が加わるだけで原子核の内部構造が劇的に変化し得ること、そして原子核を繋ぎ止めている力の理解を塗り替えるものであることを示しています。