Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

Este artigo relata a primeira medição da vida média do estado $0^+_3$ em $^{118}$Sn usando captura de nêutrons térmicos, onde a força de transição $E0$ aprimorada observada fornece evidências convincentes de coexistência de múltiplas formas, uma descoberta corroborada por cálculos teóricos que preveem três formas nucleares distintas nos isótopos de Sn.

O essencial

Imagine o núcleo de um átomo como uma pequena e movimentada pista de dança. Normalmente, em certos átomos "semi-mágicos" como o Estanho (Sn), os dançarinos (prótons e nêutrons) preferem permanecer imóveis em um círculo perfeito e redondo. Esta é a sua forma confortável e esférica.

No entanto, esta nova pesquisa revela que, nos isótopos de Estanho em torno da massa 118, a pista de dança está, na verdade, sedando uma festa selvagem onde três estilos de dança diferentes estão acontecendo exatamente ao mesmo tempo. Este fenômeno é chamado de "coexistência de múltiplas formas".

Aqui está uma explicação simples do que os cientistas descobriram:

1. O Mistério dos Dançarinos "Intrusos"

Por muito tempo, os físicos sabiam que os átomos de Estanho podiam, às vezes, mudar de uma forma redonda para uma forma alongada, parecida com um futebol (chamada de "prolatada"). Eles pensavam que isso era apenas uma simples troca entre dois estilos: Redondo vs. Futebol.

Mas havia uma peça faltando no quebra-cabeça. No átomo de Estanho-118, existe um estado excitado específico (uma manobra de dança de alta energia) chamado estado $0^+_3$. Os cientistas sabiam que ele existia, mas não sabiam quanto tempo durava antes de mudar. Sem conhecer sua "vida média", eles não podiam dizer se era um terceiro estilo de dança distinto ou apenas uma mistura confusa dos outros dois.

2. O Experimento do Cronômetro

Para resolver isso, a equipe foi a um reator de pesquisa na França (o Institut Laue-Langevin). Eles agiram como fotógrafos de alta velocidade.

• O Cenário: Eles bombardearam um alvo de Estanho-117 com nêutrons de movimento lento. Quando um nêutron era capturado, ele transformava o átomo em Estanho-118 em um estado superexcitado.
• A Corrida: À medida que o átomo se acalmava, ele emitia raios gama (piscadas de luz). Os cientistas usaram detectores especiais (cristais LaBr3) que funcionam como cronômetros incrivelmente rápidos.
• A Medição: Eles cronometraram exatamente quanto tempo o misterioso estado $0^+_3$ existiu antes de decair. Eles descobriram que durou cerca de 74 picosegundos (isto é, 0,000000000074 segundos).

3. A Evidência do "Mudador de Forma"

Saber a vida média permitiu-lhes calcular o quanto a forma do átomo mudou durante suas transições.

• A Analogia: Imagine dois dançarinos. Se eles forem muito semelhantes, podem trocar de lugar facilmente sem muito esforço. Se forem muito diferentes (um é uma bailarina, o outro é um b-boy), mudar entre eles é um salto enorme e dramático.
• O Resultado: Os cientistas mediram um "salto" massivo (chamado de força de transição E0) entre o segundo estado excitado e o terceiro estado excitado. Este grande salto provou que esses dois estados são formas fundamentalmente diferentes.

4. A Coexistência de Três Vias

Ao combinar seus novos dados de cronômetro com simulações computacionais avançadas (que funcionam como um laboratório de física virtual), eles concluíram que o Estanho-118 (e seus vizinhos Estanho-116 e Estanho-120) não está apenas alternando entre duas formas. Ele está sedando três formas distintas simultaneamente:

1. A Bola Esférica: O estado fundamental normal e redondo.
2. O Futebol Prolatado: Uma forma alongada (como uma bola de rugby).
3. A Panqueca Oblata: Uma forma achatada (como uma panqueca ou um frisbee).

O artigo sugere que os estados "intrusos" (os excitados) são, na verdade, essas diferentes formas lutando pela dominância. O estado $0^+_2$ é majoritariamente o "Futebol", enquanto o estado $0^+_3$ recém-medido é provavelmente a "Panqueca".

Por Que Isso Importa

Esta é uma descoberta rara. Geralmente, vemos apenas duas formas coexistindo em um núcleo. Encontrar três no mesmo átomo é como encontrar um único cômodo onde uma mesa redonda, uma mesa de jantar longa e uma mesa de centro plana estão todas ocupando o mesmo espaço ao mesmo tempo.

Os pesquisadores usaram um modelo computacional sofisticado (chamado Método de Coordenadas Geradoras) para confirmar isso. O modelo mostrou que essas três formas emergem naturalmente da maneira como prótons e nêutrons interagem, sem necessidade de ajustar a matemática para fazê-la encaixar.

Em resumo: Os cientistas finalmente cronometraram um estado atômico fugaz, e esse cronometramento provou que os átomos de Estanho não são apenas redondos ou alongados; eles são mudadores de forma complexos capazes de manter três formas distintas ao mesmo tempo.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Coexistência de Múltiplas Formas Próximo a $^{118}$Sn: Primeira Medida de Vida Média do $0^+_3$

Enunciação do Problema
Os isótopos de Estanho (Sn) semi-mágicos ($Z=50$) constituem um sistema de referência para estudos de estrutura nuclear, particularmente no que diz respeito à coexistência de formas. Na região do meio da casca de nêutrons ($^{112-118}$Sn), estados excitados $0^+$ em torno de 2 MeV são interpretados como resultantes de excitações de dois prótons e dois buracos (2p-2h) através do gap da casca $Z=50$, formando bandas intrusas com deformação prolata distinta do estado fundamental esférico. Embora transições monopolo elétricas (E0) aprimoradas entre cabeças de banda $0^+$ sirvam como assinaturas espectroscópicas de mistura de formas, uma compreensão completa da coexistência em $^{118}$Sn tem sido impedida por dados incompletos de vida média. Especificamente, a vida média do terceiro estado excitado $0^+$ ($0^+_3$) em $^{118}$Sn era anteriormente desconhecida, com apenas limites amplos ($60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$) disponíveis. A falta de informações precisas sobre a vida média impediu o cálculo da força de transição E0 $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$, deixando a natureza da mistura entre os estados $0^+_2$ e $0^+_3$ e a existência potencial de múltiplas formas distintas sem resolução.

Metodologia
Para abordar essa lacuna, os autores realizaram uma medida direta da vida média do estado $0^+_3$ em $^{118}$Sn utilizando a técnica de cronometragem rápida após captura de nêutrons térmicos.

• Experimento: O experimento foi conduzido no Institut Laue-Langevin (ILL) utilizando o Espectrômetro de Raios Gama Prompitos de Produtos de Fissão (FIPPS). Um alvo em pó enriquecido a 89,2% em $^{117}$Sn foi irradiado com nêutrons térmicos.
• Detecção: O arranjo utilizou 15 detectores de cronometragem rápida $LaBr_3$ (posicionados a $\approx 45^\circ$ e $135^\circ$) para medidas de tempo e 8 detectores clover de Germânio de Alta Pureza (HPGe) com supressão Compton (a $90^\circ$) para resolução de energia.
• Análise de Dados: Os estados foram populados via reação $(n, \gamma)$. A vida média foi extraída utilizando o método da Diferença de Centróide Generalizada (GCD). A análise focou em coincidências triplo-gama ($\gamma\gamma\gamma$) para isolar a cascata de decaimento do estado de captura ($S_n = 9326$ keV) até o estado $0^+_3$ e seu subsequente decaimento. Ao selecionar o raio gama primário (4765 keV) e transições específicas de alimentação/decaimento (2504 keV e 827 keV), os autores minimizaram o fundo. A diferença de centróide ($\Delta C$) entre distribuições de tempo "atrasadas" e "anti-atrasadas" foi medida e corrigida para a diferença de resposta prompt (PRD) para extrair a vida média.
• Modelagem Teórica: Para interpretar os resultados experimentais, os autores empregaram a Teoria do Funcional da Densidade Covariante Multi-Referência (MR-CDFT) combinada com o Método do Coordenador Gerador (GCM). Esta abordagem utiliza um funcional de densidade de energia relativístico sem ajustar parâmetros livres às energias de excitação experimentais. Ela constrói funções de onda coletivas como superposições de estados de campo médio que conservam simetria com deformações quadrupolares variáveis ($\beta_2$) para descrever a mistura e coexistência de formas.

Principais Resultados

• Medida de Vida Média: A vida média do estado $0^+_3$ em $^{118}$Sn foi determinada como $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps. Este valor foi derivado de uma média ponderada de medidas envolvendo três cascata diferentes (raios gama primários em 4765, 4407 e 4972 keV).
• Forças de Transição: Utilizando a vida média medida, a probabilidade de transição reduzida $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ foi calculada como $0,80(14)$ U.E. Combinada com dados existentes de $X(E0/E2)$, a força de transição E0 foi determinada:
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2,0(5) \times 10^{-3}$
  • $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) mil Unidades).
• Acordo Teórico: Os cálculos MR-CDFT reproduziram com sucesso os espectros de energia de baixo nível e as forças de transição para $^{116,118,120}$Sn. Os cálculos revelaram que os estados $0^+_1$ são quase esféricos ($\pi 1p-1h$), os estados $0^+_2$ são dominados por formas prolata ($\pi 4p-4h$ em $^{116,118}$Sn) e os estados $0^+_3$ correspondem a formas oblata (evoluindo de $\pi 2p-2h$ para $\pi 3p-3h$). Os resultados teóricos confirmaram uma grande diferença de forma ($\Delta \beta_2 > 0,24$) entre os estados $0^+_2$ e $0^+_3$.

Significado e Alegações
O significado primário deste trabalho é a primeira confirmação experimental da coexistência de múltiplas formas no núcleo semi-mágico $^{118}$Sn.

• Evidência para Três Formas: O grande valor observado de $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ de 150(30) mil Unidades fornece evidência convincente de forte mistura entre estados de formas significativamente diferentes. Combinado com o estado fundamental esférico conhecido e a banda intrusa prolata, os autores propõem a coexistência de três formas distintas: esférica, prolata e oblata.
• Tendência Sistemática: Esta descoberta estende a observação de coexistência de múltiplas formas aos isótopos vizinhos $^{116}$Sn e $^{120}$Sn, sugerindo um fenômeno sistemático através da região do meio da casca de nêutrons dos isótopos de Sn.
• Validação de Modelo: O estudo destaca a necessidade de incluir excitações de prótons através da casca fechada $Z=50$ e flutuações de forma nos modelos teóricos. O sucesso da abordagem MR-CDFT em reproduzir essas forças de transição complexas contrasta com estudos de modelo de casca usando um núcleo $Z=50$, que falham em capturar essas características.
• Contexto Mais Amplo: Os autores sugerem que a coexistência de múltiplas formas (envolvendo três ou mais formas) pode ser mais comum do que anteriormente reconhecido, traçando paralelos com fenômenos similares observados nos isótopos de Ni, Pb e Cd.

O artigo conclui que, embora o MR-CDFT reproduza bem as forças de transição, a superestimação das energias de excitação sugere a necessidade de refinamentos futuros, como a inclusão de componentes ímpares no tempo ou configurações explícitas de quasi-partículas não coletivas. Os autores observam que trabalhos experimentais adicionais, como reações de fusão-evaporação para buscar bandas rotacionais construídas sobre os estados $0^+_3$ e estudos de excitação Coulombiana para mapear o plano $(\beta_2, \gamma)$, são necessários para estabelecer firmemente o cenário de coexistência de múltiplas formas.