Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Dit artikel rapporteert de eerste meting van de levensduur van de $0^+_3$-toestand in $^{118}$Sn met behulp van thermische-neutronvangst, waarbij de waargenomen versterkte $E0$-overgangsstrength overtuigend bewijs levert voor meervoudige vormcoëxistentie, een bevinding die wordt bevestigd door theoretische berekeningen die drie verschillende nucleaire vormen in de Sn-isotopen voorspellen.

De kern

Stel je de kern van een atoom voor als een kleine, bruisende dansvloer. Meestal, bij bepaalde "semi-magische" atomen zoals Tin (Sn), staan de dansers (protonen en neutronen) liever stil in een perfecte, ronde cirkel. Dit is hun comfortabele, bolvormige vorm.

Echter, dit nieuwe onderzoek onthult dat bij de Tin-isotopen rondom massagetal 118 de dansvloer eigenlijk een wilde feest is waar drie verschillende dansstijlen tegelijkertijd plaatsvinden. Dit fenomeen wordt "meervoudige vormcoëxistentie" genoemd.

Hier is een eenvoudige uitleg van wat de wetenschappers hebben ontdekt:

1. Het mysterie van de "Intruder"-dansers

Lange tijd wisten fysici dat Tin-atomen soms konden omschakelen van een ronde vorm naar een uitgerekte, voetbalachtige vorm (genaamd "prolaat"). Ze dachten dat dit slechts een simpele schakeling was tussen twee stijlen: Ronde vs. Voetbal.

Maar er ontbrak een stukje van de puzzel. In het Tin-118-atoom is er een specifieke aangeslagen toestand (een hoog-energetische dansbeweging) genaamd de $0^+_3$-toestand. Wetenschappers wisten dat deze bestond, maar ze wisten niet hoe lang deze duurde voordat deze veranderde. Zonder kennis van zijn "levensduur" konden ze niet zeggen of het een distincte derde dansstijl was of slechts een rommelige mix van de andere twee.

2. Het stopwatch-experiment

Om dit op te lossen, ging het team naar een onderzoeksreactor in Frankrijk (het Institut Laue-Langevin). Ze deden dienst als high-speed fotografen.

• De opstelling: Ze beschoten een doelwit van Tin-117 met langzaam bewegende neutronen. Toen een neutron werd ingevangen, veranderde het atoom in Tin-118 in een super-aangeslagen toestand.
• De race: Terwijl het atoom tot rust kwam, zond het gammastralen uit (flitsen van licht). De wetenschappers gebruikten speciale detectoren (LaBr3-kristallen) die fungeren als ongelooflijk snelle stopwatches.
• De meting: Ze maten precies hoe lang de mysterieuze $0^+_3$-toestand bestond voordat deze verviel. Ze ontdekten dat deze ongeveer 74 picoseconden duurde (dat is 0,000000000074 seconde).

3. Het "Vormveranderende"-bewijs

De kennis van de levensduur stelde hen in staat te berekenen hoeveel de vorm van het atoom veranderde tijdens zijn overgangen.

• De analogie: Stel je twee dansers voor. Als ze erg op elkaar lijken, kunnen ze zonder veel moeite van plek wisselen. Als ze heel verschillend zijn (de ene is een ballerina, de andere een breakdancer), is het wisselen tussen hen een enorme, dramatische sprong.
• Het resultaat: De wetenschappers maten een enorme "sprong" (genaamd E0-overgangsstrength) tussen de tweede aangeslagen toestand en de derde aangeslagen toestand. Deze enorme sprong bewees dat deze twee toestanden fundamenteel verschillende vormen zijn.

4. De drie-wegige coëxistentie

Door hun nieuwe stopwatch-data te combineren met geavanceerde computersimulaties (die fungeren als een virtueel fysicalaboratorium), concludeerden ze dat Tin-118 (en zijn buren Tin-116 en Tin-120) niet alleen schakelt tussen twee vormen. Het host drie distincte vormen gelijktijdig:

1. De bolle bal: De normale, ronde grondtoestand.
2. De prolaat voetbal: Een uitgerekte vorm (zoals een rugbybal).
3. De oblate pannenkoek: Een afgeplatte vorm (zoals een pannenkoek of een frisbee).

Het artikel suggereert dat de "intruder"-toestanden (de aangeslagen ones) eigenlijk deze verschillende vormen zijn die om dominantie strijden. De $0^+_2$-toestand is voornamelijk de "Voetbal", terwijl de nieuw gemeten $0^+_3$-toestand waarschijnlijk de "Pannenkoek" is.

Waarom dit belangrijk is

Dit is een zeldzame ontdekking. Meestal zien we slechts twee vormen die coëxisteren in een kern. Drie vinden in hetzelfde atoom is als het vinden van een enkele kamer waar een ronde tafel, een lange eettafel en een platte salontafel allemaal tegelijkertijd dezelfde ruimte bezetten.

De onderzoekers gebruikten een geavanceerd computermodel (genaamd de Generator Coordinate Method) om dit te bevestigen. Het model toonde aan dat deze drie vormen van nature voortkomen uit de manier waarop protonen en neutronen met elkaar interageren, zonder dat de wiskunde hoeft te worden aangepast om het te laten passen.

Kortom: De wetenschappers hebben eindelijk een vluchtige atomaire toestand getimed, en die timing bewees dat Tin-atomen niet alleen rond of uitgerekt zijn; ze zijn complexe vormveranderders die in staat zijn om drie distincte vormen tegelijkertijd vast te houden.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Meervoudige vormco-existentie nabij $^{118}$Sn: Eerste meting van de levensduur van de $0^+_3$-toestand

Probleemstelling
De semi-magische Tin (Sn)-isotopen ($Z=50$) vormen een referentiesysteem voor studies van de nucleaire structuur, met name wat betreft vormco-existentie. In het neutron-midden-schelpgebied ($^{112-118}$Sn) worden geëxciteerde $0^+$-toestanden rond de 2 MeV geïnterpreteerd als voortkomend uit proton-twee-deeltjes-twee-gat (2p-2h) excitaties over de $Z=50$-schelpluik, waarbij intrusieve banden worden gevormd met prolate vervorming die verschilt van de sferische grondtoestand. Hoewel versterkte elektrische monopool (E0)-overgangen tussen $0^+$-bandhoofden dienen als spectroscopische kenmerken van vormmixing, is een volledig begrip van de co-existentie in $^{118}$Sn gehinderd door onvolledige levensduurgegevens. Specifiek was de levensduur van de derde geëxciteerde $0^+$-toestand ($0^+_3$) in $^{118}$Sn tot nu toe onbekend, waarbij slechts brede grenzen ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$) beschikbaar waren. Dit gebrek aan precieze levensduurinformatie verhinderde de berekening van de E0-overgangsstrength $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, waardoor de aard van de mixing tussen de $0^+_2$- en $0^+_3$-toestanden en de potentiële aanwezigheid van meerdere onderscheiden vormen onopgelost bleef.

Methodologie
Om deze lacune op te vullen, voerden de auteurs een directe levensduurmeting uit van de $0^+_3$-toestand in $^{118}$Sn met behulp van de snelle-timingtechniek na thermische-neutronvangst.

• Experiment: Het experiment werd uitgevoerd bij het Institut Laue-Langevin (ILL) met behulp van de FIssion Product Prompt gamma-ray Spectrometer (FIPPS). Een poedervormig doelwit verrijkt tot 89,2% $^{117}$Sn werd bestraald met thermische neutronen.
• Detectie: De opstelling gebruikte 15 $LaBr_3$ snelle-timingdetectoren (gepositioneerd op $\approx 45^\circ$ en $135^\circ$) voor timingmetingen en 8 Compton-onderdrukte High-Purity Germanium (HPGe) cloverdetectoren (op $90^\circ$) voor energie-resolutie.
• Data-analyse: Toestanden werden gepopuleerd via de $(n, \gamma)$-reactie. De levensduur werd geëxtraheerd met behulp van de Generalized Centroid Difference (GCD)-methode. De analyse richtte zich op drievoudige-gamma-coïncidenties ($\gamma\gamma\gamma$) om het vervalcascade te isoleren van de vangsttoestand ($S_n = 9326$ keV) tot aan de $0^+_3$-toestand en diens daaropvolgende verval. Door te gaten op de primaire $\gamma$-straal (4765 keV) en specifieke voedende/vervalovergangen (2504 keV en 827 keV), minimaliseerden de auteurs de achtergrond. Het centroidverschil ($\Delta C$) tussen "vertraagde" en "anti-vertraagde" tijdsverdelingen werd gemeten en gecorrigeerd voor het verschil in prompt respons (PRD) om de levensduur te extraheren.
• Theoretische modellering: Om de experimentele resultaten te interpreteren, pasten de auteurs de Multi-Reference Covariant Density Functional Theory (MR-CDFT) toe in combinatie met de Generator Coordinate Method (GCM). Deze benadering maakt gebruik van een relativistische energiedichtheidsfunctional zonder vrije parameters aan te passen aan experimentele excitatie-energieën. Het construeert collectieve golffuncties als superposities van symmetriebehoudende mean-field toestanden met variërende quadrupoolvervormingen ($\beta_2$) om vormmixing en co-existentie te beschrijven.

Belangrijkste Resultaten

• Levensduurmeting: De levensduur van de $0^+_3$-toestand in $^{118}$Sn werd bepaald op $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. Deze waarde werd afgeleid uit een gewogen gemiddelde van metingen die drie verschillende cascades omvatten (primaire $\gamma$-stralen op 4765, 4407 en 4972 keV).
• Overgangsstrengths: Met behulp van de gemeten levensduur werd de gereduceerde overgangskans $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ berekend als $0,80(14)$ W.u. Gecombineerd met bestaande $X(E0/E2)$-gegevens werd de E0-overgangsstrength bepaald:
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2,0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) milli-eenheden).
• Theoretische overeenstemming: De MR-CDFT-berekeningen slaagden erin de laag-gelegen energiespectra en overgangsstrengths voor $^{116,118,120}$Sn te reproduceren. De berekeningen onthulden dat de $0^+_1$-toestanden bijna sferisch zijn ($\pi 1p-1h$), de $0^+_2$-toestanden worden gedomineerd door prolate vormen ($\pi 4p-4h$ in $^{116,118}$Sn), en de $0^+_3$-toestanden overeenkomen met oblate vormen (ontwikkelend van $\pi 2p-2h$ naar $\pi 3p-3h$). De theoretische resultaten bevestigden een groot vormverschil ($\Delta \beta_2 > 0,24$) tussen de $0^+_2$- en $0^+_3$-toestanden.

Betekenis en Claims
De primaire betekenis van dit werk is de eerste experimentele bevestiging van meervoudige vormco-existentie in de semi-magische $^{118}$Sn-kern.

• Bewijs voor drie vormen: De grote waargenomen $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$-waarde van 150(30) milli-eenheden levert overtuigend bewijs voor sterke mixing tussen toestanden van aanzienlijk verschillende vormen. In combinatie met de bekende sferische grondtoestand en de prolate intrusieve band, stellen de auteurs de co-existentie van drie onderscheiden vormen voor: sferisch, prolaat en oblaat.
• Systeematische trend: Deze bevinding breidt de observatie van meervoudige vormco-existentie uit naar de naburige $^{116}$Sn- en $^{120}$Sn-isotopen, wat wijst op een systematisch fenomeen over het neutron-midden-schelpgebied van Sn-isotopen.
• Modelvalidatie: De studie benadrukt de noodzaak om protonexcitaties over de gesloten $Z=50$-schelp en vormfluctuaties op te nemen in theoretische modellen. Het succes van de MR-CDFT-benadering in het reproduceren van deze complexe overgangsstrengths contrasteert met schelpmodelstudies die een $Z=50$-kern gebruiken, welke deze kenmerken niet kunnen vastleggen.
• Breder kader: De auteurs suggereren dat meervoudige vormco-existentie (waarbij drie of meer vormen betrokken zijn) mogelijk vaker voorkomt dan eerder werd erkend, met parallellen naar soortgelijke fenomenen die zijn waargenomen in Ni-, Pb- en Cd-isotopen.

Het artikel concludeert dat hoewel de MR-CDFT overgangsstrengths goed reproduceert, de overschatting van excitatie-energieën wijst op de noodzaak van toekomstige verfijningen, zoals het opnemen van tijd-odd componenten of expliciete niet-collectieve quasi-deeltjesconfiguraties. De auteurs merken op dat verdere experimenteel werk, zoals fusie-verdampingreacties om te zoeken naar rotatiebanden gebouwd op de $0^+_3$-toestanden en Coulomb-excitatiestudies om het $(\beta_2, \gamma)$-vlak in kaart te brengen, vereist is om het scenario van meervoudige vormco-existentie stevig te vestigen.