Electromagnetic transition strength in $^{53}$Ca: the lifetime of the $5/2^{-}$ state

Atomen zijn opgebouwd uit een dichte kern, de nucleus, die protonen en neutronen bij elkaar houdt. Decennialang hebben natuurkundigen begrepen dat deze deeltjes zich in specifieke lagen rangschikken, vergelijkbaar met de schillen van een ui. Bepaalde aantallen deeltjes vullen deze schillen volledig, wat een bijzonder stabiele en rigide structuur creëert. Deze speciale getallen staan bekend als "magische getallen" en vormen de hoekstenen van ons begrip van hoe materie op de kleinste schaal is georganiseerd. Deze stabiliteit is echter niet universeel. Wanneer wetenschappers kijken naar exotische atomen die ver verwijderd zijn van de stabiele vormen die in de natuur worden gevonden, breken deze vertrouwde regels vaak af. In deze onstabiele, neutronrijke omgevingen kunnen de magische getallen verdwijnen en kunnen er nieuwe verschijnen, waardoor de kern vervormt en van vorm verandert. Het begrijpen van waarom dit gebeurt, is een van de meest urgente uitdagingen in de moderne kernfysica, omdat het onthult hoe de fundamentele krachten van de natuur zich gedragen onder extreme omstandigheden.

Een belangrijk gebied van belang is de keten van calciumisotopen, oftewel versies van het calciumatoom met variërende aantallen neutronen. Hoewel calcium-40 een bekende stabiele isotoop is, zijn wetenschappers vastbesloten te begrijpen wat er gebeurt naarmate ze meer neutronen toevoegen, in de richting van een potentiële nieuwe schilsluiting bij veertig neutronen. Om dit puzzelstukje op te lossen, hebben onderzoekers meer nodig dan alleen een lijst met energieniveaus; ze moeten meten hoe gemakkelijk de kern kan worden geëxciteerd en hoe deze energie uitzendt. Hier komt het concept van elektromagnetische overgangssterkte om de hoek kijken. Wanneer een geëxciteerde kern terugkeert naar een lagere energietoestand, geeft zij een uitbarsting van licht af in de vorm van een gammastraling. De snelheid waarmee dit gebeurt, en de intensiteit van het licht, vertelt een verhaal over de interne structieve van de kern. Als de kern rigide en schillig is, weerstaat zij vervorming, en is de overgang traag. Als de kern zacht en vloeiend is, vervormt zij gemakkelijk, en vindt de overgang snel plaats.

In een recent experiment bij de Radioactive Isotope Beam Factory in Japan richtte een team van wetenschappers zich op een zeldzame en onstabiele versie van calcium, genaamd calcium-53. Dit specifieke isotoop heeft twintig protonen en drieëndertig neutronen, waardoor het zich in een regio bevindt waar de regels van de kernstructuur nog steeds worden geschreven. De onderzoekers wilden de levensduur meten van een specifieke geëxciteerde toestand binnen deze kern, een toestand met een spin van vijf-halve. Hiervoor creëerden ze een bundel radioactieve scandium-55 atomen en vuurden deze af op een doelwit gemaakt van koolstof en plastic. Wanneer de scandiumatomen tegen het doelwit botsten, verloren ze een proton en een neutron, waardoor ze transformeerden in de gewenste calcium-53 kernen in een geëxciteerde toestand. Deze nieuw gevormde kernen bewogen zich met ongelooflijke snelheden, dicht bij de lichtsnelheid, terwijl ze wegvlogen van het botsingspunt.

Het team ving de gammastraling op die door deze snel bewegende kernen werd uitgezonden met een geavanceerde array van hoogzuivere germaniumdetectoren. Omdat de kernen zo snel bewogen, werd het uitgezonden licht vervormd door het Doppler-effect, vergelijkbaar met hoe de toonhoogte van een sirene verandert wanneer een ambulance voorbijrijdt. De vorm van het gamma-signaal was geen scherpe piek, maar een verbredde veeg, en de breedte van deze veeg hing direct samen met hoe lang de kern geëxciteerd bleef voordat deze energie vrijgaf. Door de precieze vorm van deze signalen te analyseren met geavanceerde computersimulaties, waren de onderzoekers in staat de levensduur van de geëxciteerde toestand af te leiden. Ze ontdekten dat de toestand ongeveer elf picoseconden bestond, een tijd die zo kort is dat deze in biljardsten van een seconde wordt gemeten. Deze meting komt overeen met een specifieke sterkte van de overgang, wat aangeeft hoe sterk de kern interageert met de elektromagnetische kracht.

De resultaten van deze meting boden een cruciale test voor de theoretische modellen die natuurkundigen gebruiken om kerngedrag te voorspellen. Het team vergeleek hun nieuwe gegevens met twee verschillende soorten geavanceerde berekeningen. Het eerste type, bekend als het schelmodel, gebruikt een reeks regels om te beschrijven hoe protonen en neutronen binnen hun schillen interageren. Wanneer de onderzoekers standaardparameters gebruikten in deze berekeningen, kwam de voorspelde sterkte van de overgang zeer goed overeen met hun experimentele bevindingen. Echter, wanneer zij meer moderne benaderingen probeerden die proberen deze interacties te berekenen vanuit de fundamentele krachten tussen individuele deeltjes, bekend als ab initio-methoden, waren de resultaten anders. Deze geavanceerde theorieën onderschatten de sterkte van de overgang aanzienlijk, waarbij ze een veel zwakkere interactie voorspelden dan wat er daadwerkelijk werd waargenomen.

Deze discrepantie is een belangrijke bevinding, omdat het suggereert dat onze meest geavanceerde theorieën iets belangrijks missen over hoe deze neutronrijke kernen zich gedragen. Het feit dat het eenvoudigere schelmodel beter werkte dan de complexere berekeningen vanuit de eerste beginselen, impliceert dat er subtiele collectieve effecten of veel-lichamen-interacties zijn die de huidige theorieën niet volledig vatten. Het experiment bewees niet dat de theorieën op alle fronten fout zijn, maar het stelde wel een duidelijke benchmark vast waaraan zij nu moeten voldoen. De gegevens tonen aan dat de calcium-53 kern actiever en responsiever is dan de meest rigoureuze huidige modellen voorspellen. Deze nieuwe meting voegt een essentieel stukje toe aan de puzzel van hoe kernschillen evolueren naarmate we ons naar de rand van stabiliteit bewegen, en helpt wetenschappers om hun begrip van de krachten die het universum bij elkaar houden te verfijnen.