B$_{4/2}$ anomaly related to the shape coexistence in $^{94}$Zr

In het hart van elk atoom ligt een kern, een dichte cluster van protonen en neutronen die zich minder gedraagt als een star knikkertje en meer als een druppel vloeistof. In de wereld van de kernfysica kunnen deze druppels van vorm veranderen. Soms zijn ze perfect rond, zoals een bol. Op andere momenten rekken ze uit tot een ovaal, lijkend op een rugbybal, of platter ze af tot een schijf. Decennialang hebben natuurkundigen wiskundige modellen gebouwd om te voorspellen hoe deze vormen trillen en roteren, in de verwachting dat de kern zich in één stabiele vorm zou nestelen of er vloeiend tussen zou overgaan. De natuur verrast ons echter vaak met uitzonderingen die deze nette verwachtingen tarten. Een dergelijk raadsel betreft een specifieke meting van hoe de kern energie uitzendt, een waarde die soms naar een verrassend laag getal daalt, waardoor de patronen die standaardtheorieën voorspellen worden doorbroken. Deze anomalie, bekend als de B4/2-anomalie, is opgetreden in een handvol kernen, wat wetenschappers doet afvragen welke verborgen complexiteit dit gedrag aanstuurt.

Een recente studie richtte zich op de kern van Zirconium-94, een isotoop die dit vreemde gedrag vertoont, om de bron van het mysterie te ontrafelen. De onderzoekers, werkzaam vanuit instellingen in Roemenië en Marokko, maakten gebruik van een geavanceerd kader dat bekend staat als het Bohr-Mottelson-model, dat de kern behandelt als een collectief systeem van bewegende delen. In plaats van een eenvoudige, gladde potentiaal te gebruiken om de krachten te beschrijven die de kern bij elkaar houden, gebruikten zij een complexere, zesde-orde potentiaal. Dit wiskundige instrument stelde hen in staat om een breder scala aan mogelijkheden te verkennen, specifiek zoekend naar scenario's waarin de kern niet alleen in één vorm zou kunnen trillen, maar daadwerkelijk twee of meer verschillende vormen tegelijkertijd zou kunnen herbergen. Dit fenomeen, genaamd vormcoexistentie, suggereert dat een enkele kern simultaan een sferische configuratie en een vervormde configuratie kan ondersteunen, waarbij de verschillende vormen met elkaar mengen om de geobserveerde energieniveaus te creëren.

Het team paste hun model toe op de laagste energietoestanden van Zirconium-94 en vergeleek hun berekeningen met de meest recente beschikbare experimentele gegevens. Ze kwamen tot de conclusie dat een enkele, eenvoudige beschrijving van de kern onvoldoende was om het volledige beeld te verklaren. In plaats daarvan wezen de gegevens op een scenario van triple vormcoexistentie. De laagste energietoestand, de grondtoestand, gedraagt zich als een bijna perfecte bol. Echter, de eerste aangeslagen toestand met een spin van vier, een specif evenement van impulsmoment, behoort duidelijk tot een andere familie: deze is gevormd als een uitgerekt, axiaal symmetrisch ovaal. De overgang van energie tussen deze twee specifieke toestanden is wat de anomalie veroorzaakt. Omdat de kern van een sferische vorm naar een uitgerekt ovale vorm moet springen, wordt de waarschijnlijkheid van deze overgang aanzienlijk onderdrukt, wat resulteert in de ongewoon lage waarde die wetenschappers jarenlang heeft verbijsterd.

Toch eindigde het verhaal daar niet. Toen de onderzoekers andere aangeslagen toestanden onderzochten, specifiek die met nul en twee eenheden spin, verschoof het beeld weer. Deze toestanden pasten niet in het eenvoudige ovale model. In plaats daarvan gedroegen ze zich alsof de kern dynamisch instabiel was, fluctuerend op een manier die suggereert dat er sprake is van een triaxiale vervorming, waarbij de vorm noch een perfecte bol noch een eenvoudig ovaal is, maar iets complexers dat in drie dimensies wiebelt. De studie onthulde dat de tweede aangeslagen nul-spin toestand en de tweede aangeslagen twee-spin toestand worden gedomineerd door deze triaxiale karakter, hoewel ze nog steeds een kleine menging van de sferische vorm behouden. Deze menging is cruciaal, aangezien het verklaart waarom bepaalde energietransities tussen deze toestanden zo zwak zijn, wat overeenkomt met de experimentele waarnemingen die een enkelvoudig vormmodel niet kon verklaren.

De onderzoekers concludeerden dat de sleutel tot het begrijpen van Zirconium-94 niet ligt in het kiezen tussen een sferische, een ovale of een triaxiale vorm, maar in het erkennen dat alle drie bestaan binnen dezelfde kern. De anomalie in de energietransitie is het directe gevolg van de kern die wisselt tussen de sferische grondtoestand en de ovale vierde toestand, gescheiden door een aanzienlijke energiebarrière die de sprong moeilijk maakt. Ondertussen dansen de andere toestanden op het ritme van een triaxiale melodie. Deze triple coexistentie biedt een volledige verklaring voor de energieniveaus en de sterkte van de elektromagnetische transities die in het laboratorium zijn waargenomen. Hoewel het huidige model de meeste gegevens succesvol reproduceert, merkten de onderzoekers op dat sommige transities moeilijk perfect te beschrijven blijven, wat suggereert dat een toekomstig, nog algemener model nodig kan zijn om alle drie de vormconfiguraties op gelijke voet te behandelen. Voor nu biedt de studie echter een heldere en overtuigende verklaring voor een langlopend nucleair raadsel, en laat het zien dat het binnenste van een atoom veelzijdiger en complexer kan zijn dan voorheen werd aangenomen.