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

Diep in het hart van elk atoom ligt een kern, een dichte cluster van protonen en neutronen die zich minder gedraagt als een statische bal van klei en meer als een druppel vloeistof die kan rekken, indrukken en trillen. Decennialang hebben natuurkundigen deze minuscule kernen bestudeerd om te begrijpen hoe ze bij elkaar blijven en hoe ze van vorm veranderen. Een van de meest fascinerende puzzels in dit vakgebied betreft atomen die schijnbaar tegelijkertijd in twee verschillende vormen bestaan. Stel je een kern voor die perfect rond kan zijn, zoals een biljartbal, en dan plotseling kan uitrekken tot een voetbalvorm zonder het aantal deeltjes te veranderen. Dit fenomeen, bekend als vormcoexistentie, daagt ons begrip uit van hoe materie zich op de kleinste schaal organiseert. Wetenschappers richten zich op een specifieke familie van atomen genaamd tin-isotopen, omdat deze een lange, stabiele keten van voorbeelden bieden waar deze vormveranderingen kunnen worden waargenomen en gemeten. Door te bestudelen hoe deze atomen tussen hun verschillende vormen overgaan, hopen onderzoekers de fundamentele regels te ontdekken die de structuur van alle materie beheersen.

In een recente studie richtte een team van natuurkundigen zich op een specifieke groep tinatomen, variërend van de lichtere versies met massagetallen 114 tot de zwaardere met massagetal 122. Ze waren bijzonder geïnteresseerd in een vreemde anomalie die in sommige van deze atomen werd gerapporteerd: een meting die suggereerde dat de kern zich op een manier gedroeg die de standaardverwachtingen tartte. Specifiek, wanneer deze atomen van het ene energieniveau naar het andere sprongen, volgde de waarschijnlijkheid van de sprong niet het vloeiende patroon dat bij andere elementen wordt gezien. In plaats daarvan zakten de getallen onder een kritische drempel, wat erop wees dat de interne structuur van het atoom drastischer veranderde dan iedereen had voorspeld. Om dit mysterie op te lossen, bouwden de onderzoekers een wiskundig model dat de kern niet behandelt als een verzameling individuele deeltjes, maar als één enkel object dat zich door een landschap van energie beweegt. Ze stelden zich dit landschap voor als een vallei met twee duidelijke dalen, of putten. Eén dal vertegenwoordigt een ronde, sferische vorm, terwijl het andere een uitgerekte, vervormde vorm vertegenwoordigt. De kern kan in een van beide dalen rusten, of kan bestaan in een staat die een mix van beide is.

De onderzoekers gebruikten dit dubbele-put-landschap om het gedrag van de tinatomen te simuleren, waarbij ze de vorm van de vallei aanpasten om te zien of ze de werkelijke energieniveaus konden reproduceren die in laboratoria werden gemeten. Ze ontdekten dat door de diepte en breedte van deze twee putten zorgvuldig af te stemmen, hun model de experimentele gegevens voor de verschillende tin-isotopen nauwkeurig kon matchen. De simulaties toonden aan dat de lichtere en zwaardere atomen in de groep, zoals die met massagetallen 114 en 122, heel anders gedragen dan de atomen in het midden. In de lichtere atomen begint de kern in een bijna ronde vorm, maar naarmate het meer energie krijgt en sneller gaat draaien, ondergaat het een plotselinge en dramatische verschuiving naar een sterk uitgerekte vorm. Deze abrupte structurele verandering betekent dat de golf die de ronde staat beschrijft en de golf die de uitgerekte staat beschrijft, niet goed overlappen. Omdat deze twee vormen zo verschillend zijn, heeft het atoom moeite met de overgang tussen hen, wat resulteert in de ongewoon lage waarschijnlijkheidswaarden die wetenschappers hadden verbijsterd.

Voor de zwaardere atomen met massagetallen 120 en 122 is de situatie iets anders, maar leidt dit tot een vergelijkbaar resultaat. Hier bestaat de kern in een staat waarin de ronde en de uitgerekte vormen bijna even waarschijnlijk zijn, wat een gespleten persoonlijkheid creëert waarbij het atoom tegelijkertijd in twee zeer verschillende configuraties verkeert. Deze dualiteit verstoort ook de overgang tussen energieniveaus, waardoor de waarschijnlijkheid tot rond dezelfde lage drempel daalt. De atomen in het midden van de groep, met massagetallen 116 en 118, vertonen een meer samengesmolten gedrag waarbij de twee vormen vloeiender samensmelten, waardoor de scherpe daling in waarschijnlijkheid wordt vermeden. De studie bekeek ook hoe deze vormen met elkaar mengen. In sommige gevallen blijven de ronde en de uitgerekte configuraties duidelijk en gescheiden, een fenomeen dat vormcoexistentie zonder menging wordt genoemd. In andere gevallen versmelten ze samen. De onderzoekers ontdekten dat de specifieke manier waarop deze vormen mengen of gescheiden blijven, bepaalt hoe sterk de overgangen tussen energieniveaus zijn.

Door hun model succesvol te laten aansluiten op de gegevens uit de echte wereld, bood het team een heldere verklaring voor de anomalieën in de metingen. Ze toonden aan dat de vreemde daling in overgangswaarschijnlijkheid geen willekeurige fout of een teken van een gebroken theorie is, maar een direct gevolg van het feit dat de kern te snel van vorm verandert of tegelijkertijd in twee conflicterende vormen bestaat. De studie bevestigt dat de grondtoestanden van deze tinatomen bijna sferisch zijn, terwijl hun aangeslagen toestanden goed vervormd zijn. De sleutel tot de anomalie ligt in de staat waarin het atoom de hoogste spin heeft in de hoofdgroep, die fungeert als een brug tussen de ronde en de uitgerekte werelden. Wanneer deze brug gebouwd is op een fundament van twee zeer verschillende vormen, wordt de verbinding zwak en daalt de overgangswaarschijnlijkheid. Dit werk biedt een gedetailleerde kaart van hoe kernvormen evolueren over een keten van elementen, en laat zien dat de interne architectuur van een atoom drastisch kan verschuiven met slechts een paar toegevoegde deeltjes, wat ons begrip van de krachten die de atoomkern bij elkaar houden, hervormt.