High-Precision Mass Measurements of 52Ni and 51Co Reveal Breakdown of the Isobaric Multiplet Mass Equation in the f p Shell

Resumo Técnico: Medições de Massa de Alta Precisão de $^{52}\text{Ni}$ e $^{51}\text{Co}$

Problema e Motivação
A Equação de Massa de Multiplete Isobárico (IMME) serve como um arcabouço fundamental para prever as massas de núcleos exóticos e testar a simetria de isospin na física nuclear. A IMME postula que as energias de ligação de estados análogos isobáricos (IAS) dentro de um multiplete seguem uma dependência quadrática de $T_z$, a projeção de isospin. Desvios dessa forma quadrática, particularmente o surgimento de termos cúbicos ($d$) ou quárticos ($e$) significativos, sinalizam efeitos de quebra de simetria de isospin ou deficiências nos tratamentos teóricos da interação de Coulomb. Embora estudos anteriores tenham identificado quebras na IMME para números de massa específicos, dados de alta precisão no shell-$fp$ rico em prótons permanecem escassos. Este trabalho aborda a necessidade de parâmetros rigorosos para testar descrições teóricas de termos de troca de Coulomb e forças não conservadoras de isospin nesta região.

Metodologia
Os autores realizaram medições de massa de alta precisão dos núcleos ricos em prótons $^{51}\text{Co}$ e $^{52}\text{Ni}$ utilizando a armadilha de Penning de Baixa Energia de Feixe e Armadilha de Íons (LEBIT) na Facility for Rare Isotope Beams (FRIB).

• Produção de Feixe: Um feixe radioativo foi gerado via fragmentação de projétil de um feixe primário de $^{58}\text{Ni}$ de 250 MeV/u sobre um alvo de carbono natural. Os íons resultantes foram separados usando o Advanced Rare Isotope Separator (ARIS) e parados no Advanced Cryogenic Gas Stopper (ACGS).
• Manipulação de Íons: Os íons foram extraídos, separados por massa e acumulados em um resfriador-agrupador de armadilha de Paul linear antes de serem injetados em uma armadilha de Penning hiperbólica de 9,4 T.
• Técnicas de Medição:
  • $^{51}\text{Co}$: Devido à sua taxa de produção relativamente alta e meia-vida curta ($T_{1/2} = 68,8$ ms), a técnica de Ressonância de Ciclotron de Tempo de Voo (ToF-ICR) foi empregada. Um tempo de excitação de 50 ms foi utilizado para acomodar o decaimento, com a frequência de ciclotron determinada pela minimização do tempo de voo até um detector de placa de microcanais.
  • $^{52}\text{Ni}$: Dada a produção substancialmente menor e a meia-vida curta ($T_{1/2} = 41,4$ ms), a técnica de Ressonância de Ciclotron de Imagem de Fase (PI-ICR) foi utilizada. Este método mede o acúmulo de fase do movimento do íon ao longo de tempos de acumulação específicos (até 31 ms) em um detector sensível à posição.
• Padrões de Referência: As medições foram intercaladas com íons de referência estáveis ($N_2^+$ para $^{51}\text{Co}$ e $C_2H_2^+$ para $^{52}\text{Ni}$) para cancelar derivas do campo magnético. As incertezas sistemáticas foram minimizadas usando pequenos grupos de íons (< 5 íons/grupo) e realizando a média sobre períodos de magnetron.

Principais Resultados

• Valores de Excesso de Massa:
  • $^{52}\text{Ni}$: Um excesso de massa de $-22474,8(2,2)$ keV foi determinado. Este resultado é consistente com uma medição recente em anel de armazenamento no CSRe, mas melhora a precisão em um fator de 37.
  • $^{51}\text{Co}$: Um excesso de massa de $-27375,1(5,7)$ keV foi obtido, concordando com os resultados recentes do CSRe, enquanto reduz a incerteza em um fator de 2.
• Massa Derivada de $^{54}\text{Zn}$: Ao combinar a nova massa de $^{52}\text{Ni}$ com a energia de decaimento de dois prótons de $^{54}\text{Zn}$ ($Q_{2p} = 1344(41)$ keV, uma média ponderada das medições do GANIL e RIKEN), os autores derivaram um excesso de massa para $^{54}\text{Zn}$ de $-6463(42)$ keV. Este valor difere significativamente do valor extrapolado na avaliação AME2020.
• Análise da IMME:
  • Coeficientes $b$: Comparações com modelos nucleares globais (ex: UNEDF0, FRDM12, BSkG4) indicam que modelos que omitem o termo de troca de Coulomb (ou usam aproximações específicas como a aproximação de Slater sem troca) geralmente reproduzem melhor os coeficientes $b$ experimentais do que aqueles que incluem o termo de troca exato.
  • Coeficientes $d$ (Quebra da IMME): Os novos dados de alta precisão revelam desvios substanciais da forma quadrática da IMME:
    • Para o multiplete $A=52, T=2$, o coeficiente cúbico $d$ é determinado como $-15,4(1,5)$ keV (o ajuste quártico resulta em $d = -17,9(1,6)$ keV), representando um desvio de $10,3\sigma$ de zero. Este é o segundo maior desvio conhecido entre todos os multipletes.
    • Para o multiplete $A=54, T=3$, o coeficiente $d$ é $18,2(2,6)$ keV, um desvio de $7\sigma$ de zero.
  • Origens Potenciais: Os autores observam que, embora esses desvios sugiram uma quebra da IMME quadrática, eles também poderiam advir de problemas experimentais, como a identificação incorreta de Estados Análogos Isobáricos (IAS) ou energias de ligação imprecisas de membros específicos (ex: $^{52}\text{Co}$ ou $^{54}\text{Fe}$).

Significância e Alegações
O artigo afirma que estas medições fornecem os parâmetros mais rigorosos até o momento para efeitos de quebra de simetria de isospin no shell-$fp$ rico em prótons. A principal significância reside na revelação de uma "quebra substancial" da IMME para $A=52$ e $A=54$. Os resultados favorecem descrições teóricas que omitem o termo de troca de Coulomb, desafiando as abordagens padrão de Funcional de Densidade de Energia (EDF) que o incluem. Além disso, o trabalho destaca a necessidade de futuras medições de massa de alta precisão e uma reavaliação das atribuições de IAS para esclarecer se as quebras observadas na IMME são devidas a nova física ou incertezas experimentais não resolvidas. Os autores declaram explicitamente que uma medição direta da massa de $^{54}\text{Zn}$ é necessária para resolver a discrepância entre o seu valor derivado e a extrapolação da AME2020, embora reconheçam que tal medição permanece experimentalmente desafiadora.