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

모든 원자의 심장부 깊은 곳에는 양성자와 중성자가 밀집된 집단인 핵이 존재하며, 이는 정적인 찰흙 공이라기보다는 늘어나고, 찌그러지고, 진동할 수 있는 액체 방울처럼 행동합니다. 수십 년 동안 물리학자들은 이 작은 핵심들을 연구하며 이들이 어떻게 결합을 유지하고 어떻게 형태를 변화시키는지 이해하고자 노력해 왔습니다. 이 분야에서 가장 매혹적인 수수께끼 중 하나는 동시에 두 가지 다른 형태를 가진 것처럼 보이는 원자들과 관련이 있습니다. 핵이 당구공처럼 완벽하게 둥글었다가, 입자의 수를 바꾸지 않고도 갑자기 미식축구공 모양으로 길게 늘어나는 모습을 상상해 보십시오. '형태 공존(shape coexistence)'이라고 알려진 이 현상은 물질이 가장 작은 규모에서 어떻게 스스로를 조직하는지에 대한 우리의 이해에 도전합니다. 과학자들은 이러한 형태 변화를 관찰하고 측정할 수 있는 길고 안정적인 사례의 사슬을 제공하는 주석 동위원계라는 특정 원자 가족에 주목합니다. 연구자들은 이 원자들이 서로 다른 형태 사이를 어떻게 전이하는지 연구함으로써, 모든 물질의 구조를 지배하는 근본적인 규칙을 밝혀내기를 희망하고 있습니다.

최근 한 연구에서 물리학자 팀은 질량수가 114에서 122에 이르는 가벼운 버전부터 무거운 버전까지의 특정 주석 원자 그룹에 관심을 기울였습니다. 그들은 특히 이 원자들 중 일부에서 보고된 기이한 이상 현상, 즉 핵이 표준적인 기대를 벗어나는 방식으로 행동하고 있음을 시사하는 측정값에 주목했습니다. 구체적으로, 이 원자들이 하나의 에너지 준위에서 다른 준위로 도약할 때, 도약의 확률이 다른 원소들에서 보이는 매끄러운 패턴을 따르지 않았습니다. 대신, 그 수치들은 임계치 아래로 떨어졌으며, 이는 원자의 내부 구조가 예상보다 더 급격하게 변하고 있음을 암시했습니다. 이 미스터리를 해결하기 위해 연구진은 핵을 개별 입자들의 집합이 아니라, 에너지의 풍경 속을 움직이는 하나의 단일 객체로 취급하는 수학적 모델을 구축했습니다. 그들은 이 풍경을 두 개의 뚜렷한 움푹 팬 곳, 즉 '우물'이 있는 계곡으로 상상했습니다. 한 우물은 둥근 구형을 나타내고, 다른 우물은 길게 늘어진 변형된 형태를 나타냅니다. 핵은 이 두 우물 중 하나에 안착하거나, 두 형태가 혼합된 상태로 존재할 수 있습니다.

연구진은 이 이중 우물 풍경을 사용하여 주석 원자들의 행동을 시뮬레이션하였으며, 실험실에서 측정된 실제 에너지 준위와 일치시키기 위해 계곡의 모양을 조정했습니다. 그들은 이 두 우물의 깊이와 너비를 세심하게 조절함으로써, 자신들의 모델이 다양한 주석 동위원계에 대한 실험 데이터를 정확하게 일치시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션 결과, 114와 122와 같은 그룹 내의 가볍거나 무거운 원자들은 중간 단계의 원자들과는 상당히 다르게 행동한다는 것이 드러났습니다. 가벼운 원자의 경우, 핵은 거의 둥근 형태에서 시작하지만, 에너지를 얻고 더 빠르게 회전함에 따라 매우 길게 늘어진 형태로 급격하고 극적인 변화를 겪습니다. 이러한 구조적 변화는 둥근 상태를 설명하는 파동과 늘어난 상태를 설명하는 파동이 서로 잘 겹치지 않게 만듭니다. 이 두 형태가 너무 다르기 때문에, 원자는 이들 사이의 전이를 수행하는 데 어려움을 겪으며, 이는 과학자들을 당혹스럽게 했던 이례적으로 낮은 확률값으로 이어집니다.

질량수가 120과 122인 더 무거운 원자들의 경우 상황이 약간 다르지만 유사한 결과로 이어집니다. 여기서 핵은 둥근 형태와 늘어난 형태가 거의 똑같은 확률로 존재하는 상태, 즉 원자가 두 가지 매우 다른 구성에 동시에 존재하는 '분열된 인격'과 같은 상태로 존재합니다. 이러한 이중성은 에너지 준위 사이의 전이를 방해하여 확률을 동일한 낮은 임계치 근처로 떨어뜨립니다. 그룹의 중간에 위치한 116과 118 질량수의 원자들은 두 형태가 더 부드럽게 병합되는 더 혼합된 행동을 보이며, 확률의 급격한 하락을 피합니다. 연구는 또한 이러한 형태들이 서로 어떻게 섞이는지도 살펴보았습니다. 어떤 경우에는 둥근 형태와 늘어난 형태가 서로 구별되고 분리되어 있는데, 이를 '혼합 없는 형태 공존'이라고 합니다. 다른 경우에는 이들이 서로 섞입니다. 연구진은 이러한 형태들이 섞이거나 분리되는 방식이 에너지 준위 사이의 전이 강도를 결정한다는 것을 발견했습니다.

자신들의 모델을 실제 데이터와 성공적으로 일치시킴으로써, 연구팀은 이상 측정값에 대한 명확한 설명을 제공했습니다. 그들은 이 기이한 전이 확률의 하락이 무작위적인 오류나 이론의 결함이 아니라, 핵이 너무 빠르게 형태를 바꾸거나 두 가지 상충하는 형태 속에 동시에 존재하기 때문에 발생하는 직접적인 결과임을 입증했습니다. 이 연구는 이 주석 원자들의 바닥 상태가 거의 구형인 반면, 들뜬 상태는 잘 변형되어 있음을 확인해 줍니다. 이상 현상의 핵심은 주요 그룹에서 가장 높은 스핀을 가진 상태에 있으며, 이 상태가 둥근 세계와 늘어난 세계 사이의 가교 역할을 합니다. 이 가교가 매우 다른 두 가지 형태라는 토대 위에 세워질 때, 연결은 약해지며 전이 확률은 떨어지게 됩니다. 이 연구는 원자 핵을 결합하는 힘에 대한 우리의 이해를 재형성하며, 원자의 내부 구조가 단 몇 개의 입자 추가만으로도 어떻게 극적으로 변할 수 있는지에 대한 상세한 지도를 제공합니다.