Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

In het hart van elk atoom klonteren protonen en neutronen samen in een dichte, chaotische menigte. Wanneer deze atoomkernen worden geëxciteerd, bijvoorbeeld door een botsing of radioactief verval, blijven ze niet simpelweg stilzitten; ze laten hun extra energie kwijt door het uitzenden van lichtflitsen, specifiek gammastraling. Wetenschappers bestuderen al lang hoe deze kernen dergelijk licht absorberen, een proces dat wordt gedomineerd door een massieve, collectieve vibratie bekend als de reusachtige dipoolresonantie, waarbij de protonen en neutronen tegen elkaar in heen en weer wiegen als twee tegengestelde vloeistoffen. Echter, het omgekeerde proces—hoe een kern energie afgeeft terwijl deze afkoelt vanuit een hoogenergetische staat—is een meer ongrijpbaar mysterie gebleven. Decennialang suggereerde een heersend idee dat de manier waarop een kern licht uitzendt alleen zou moeten afhangen van de energie van het licht zelf, ongeacht hoe geëxciteerd de kern oorspronkelijk was. Deze aanname, bekend als de Brink-Axel-hypothese, leek stand te houden totdat recente waarnemingen een verrassende wending onthulden: bij zeer lage energieën zenden kernen veel meer gammastraling uit dan iedereen verwachtte, een fenomeen dat de oude regels tartte.

Een team van onderzoekers zette zich in om deze onverwachte toename in laagenergetische lichtemissie te begrijpen door gedetailleerde computermodellen van atoomkernen te bouwen voor een breed scala aan elementen, waaronder molybdeen, ijzer, tin, germanium en gadolinium. Ze gebruikten twee verschillende theoretische kaders om het gedrag van deze kernen te simuleren: een traditionele methode die de kern als een sfeer behandelt, en een nieuwere, complexere benadering die rekening houdt met kernen die uitgerekt zijn tot ellipsen of triaxiale vormen. Door de miljoenen mogelijke overgangen tussen energietoestanden binnen deze gesimuleerde kernen te berekenen, bracht het team nauwkeurig in kaart hoe de sterkte van de uitgezonden gammastralen verandert naarmate de energie van het licht varieert. Hun werk onthult dat het gedrag van deze lichtemissie niet willekeurig is, maar een duidelijk patroon volgt dat wordt bepaald door de vorm van de kern en het aantal neutronen dat de kern bevat.

De onderzoekers ontdekten dat in kernen die bijna sferisch zijn, de emissie van gammastraling wordt gedomineerd door een enkele, scherpe piek van intensiteit bij zeer lage energieën. Ze noemen dit de Low Energy Magnetic Radiation, of LEMAR. Het verschijnt als een plotselinge uitbarsting van magnetisch licht die exponentieel afneemt naarmate de energie toeneemt. Echter, naarmate de kernen meer vervormd raken—uitgerekt tot voetbalvormige figuren—verschijnt er naast de laagenergetische piek een tweede kenmerk. Dit nieuwe kenmerk is een brede bult van intensiteit gecentreerd rond drie miljoen elektronvolt, wat overeenkomt met een bekend fenomeen genaamd de schaar-resonantie (scissors resonance). In deze staat oscilleren de protonen en neutronen tegen elkaar in op een manier die lijkt op het openen en sluiten van een schaar. De studie laat zien dat naarmate de vervorming van de kern toeneemt, de enkele laagenergetische piek niet verdwijnt; in plaats daarvan coëxisteert deze met de schaar-resonantie, wat een bimodale profiel creëert met twee duidelijke pieken van activiteit.

Deze overgang van een enkele piek naar een dubbele piek wordt gedreven door de interne structuur van de kern. In een sferische kern zijn de energieniveaus van de deeltjes gegroepeerd op een manier die een eenvoudige, verenigde laagenergetische transitie mogelijk maakt. Maar wanneer de kern vervormt, splitsen deze energiegroepen uiteen, vergelijkbaar met hoe een enkele lichtstraal in een spectrum van kleuren uiteenvalt wanneer deze door een prisma gaat. Deze splitsing creëert een complex web van mogelijke overgangen. De laagenergetische piek ontstaat uit de chaotische menging van deze gesplitste toestanden, terwijl de schaar-resonantie bult voortkomt uit een specifiek type collectieve beweging die pas mogelijk wordt wanneer de kern vervormd is. De onderzoekers observeerden dat dit patroon standhoudt over verschillende elementen: in de lichtere ijzer- en molybdeeniotopen correleert de verschuiving van een enkele piek naar een dubbele piek direct met het aantal neutronen en de resulterende vorm van de kern.

Het team onderzocht ook hoe de chaotische aard van de kern deze emissies beïnvloedt. Ze ontdekten dat de laagenergetische piek wordt gekenmerkt door een specifieke vervalsnelheid die suggereert dat de onderliggende toestanden zeer complex en ongeordend zijn, vergelijkbaar met een systeem waar informatie wordt door elkaar gehusseld. Deze chaos is verschillend van de algehele temperatuur van de kern, wat een maat is voor hoeveel energietoestanden beschikbaar zijn. In de meeste van de onderzochte kernen was de parameter die de chaotische verval van de lichtemissie beschrijft aanzienlijk lager dan de thermodynamische temperatuur van de kern, wat aangeeft dat het mechanisme dat de laagenergetische emissie aandrijft een unieke vorm van wanorde is die anders werkt dan de algemene thermische agitatie van de deeltjes.

Een van de meest significante bevindingen betreft de relatie tussen de vorm van de kern en de totale hoeveelheid uitgezonden licht. De onderzoekers vonden dat de totale sterkte van de magnetische straling relatief constant blijft terwijl de kern van vorm verandert, maar de distributie van die sterkte verandert drastisch. In sferische kernen is bijna de volledige sterkte geconcentreerd in de laagenergetische piek. Naarmate de kern vervormt, migreert een deel van die sterkte naar de schaar-resonantie bult bij hogere energieën, waardoor de laagenergetische piek zwakker wordt maar nog steeds aanwezig blijft. Deze herverdeling verklaart waarom sommige kernen een "tekort" aan laagenergetisch licht lijken te hebben vergeleken met anderen; het licht is niet verdwenen, het is simpelweg verplaatst naar een ander energiebereik.

De studie richtte zich ook op de grenzen van deze modellen. In kernen waar het aantal protonen en neutronen bijna gelijk is, wordt de emissie van laagenergetisch licht sterk onderdrukt door de conservering van een eigenschap genaamd isospin, wat fungeert als een soort interne balans tussen de twee soorten deeltjes. In deze specifieke gevallen verschijnt de verwachte laagenergetische piek niet, maar wordt deze vervangen door een vlak, zwak gebied. Bovendien reproduceerden de computersimulaties de algemene trends die in experimenten worden gezien succesvol, maar onderschatten ze soms de totale hoeveelheid uitgezonden licht, wat suggereert dat de modellen, hoewel krachtig, nog steeds enkele subtiele interacties tussen de deeltjes missen.

Uiteindelijk biedt dit werk een verenigd beeld van hoe atoomkernen hun energie afgeven. Het bevestigt dat de emissie van gammastraling geen statisch proces is, maar een proces dat evolueert met de vorm en de samenstelling van de kern. De overgang van een eenvoudige, enkelvoudige piek-emissie in sferische kernen naar een complexe, tweepiek-structuur in vervormde kernen is een robuust kenmerk van de kernfysica, gedreven door de splitsing van energieniveaus en de chaotische menging van deelteltoestanden. Door deze mechanismen te verhelderen, hebben de onderzoekers een helderder venster op de kwantumwereld geboden, door te laten zien hoe de collectieve dans van protonen en neutronen de zeer licht bepaalt die uit de atoomkern ontsnapt.