⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

Utilizando o espectrômetro GRIFFIN no TRIUMF, pesquisadores mediram uma força de transição de octupolo elétrico aumentada de 46(3) W.u. em $^{148}$ Dy, fornecendo evidência direta de uma coletividade de octupolo significativa além de $Z=64$ e estendendo os limites conhecidos deste fenômeno longe dos tradicionais números mágicos de octupolo.

Autores originais: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney

Publicado 2026-09-21

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CC BY 4.0

Autores originais: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney, A. B. Garnsworthy, P. E. Garrett, G. F. Grinyer, G. Hackman, J. Liu, A. Ludlam, L. L. Luperi, Madhu, T. La Marca, D. Movilla-Quintero, S. Murillo Morales, R. Nicolas del Alamo, M. M. Rajabali, P. H. Regan, M. Rocchini, M. Scheck, J. Seger, S. Sekal, D. Stramaccioni, C. E. Svensson, A. Tsantiri, J. Williams, F. Wu

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No coração de cada átomo reside um núcleo, um aglomerado denso de prótons e nêutrons que geralmente mantém uma forma perfeitamente redonda ou levemente achatada. Por décadas, os físicos sabem que, sob condições específicas, esses núcleos podem se esticar em uma forma de pera, onde uma extremidade é ligeiramente mais pesada que a outra. Essa forma incomum surge de um sutil cabo de guerra entre as partículas no interior, criando uma distorção que quebra a simetria da esfera. Os cientistas estão profundamente interessados nesses núcleos em forma de pera porque eles podem conter a chave para entender por que o universo é feito de matéria em vez de antimatéria. Para encontrá-los, os pesquisadores procuram por combinações específicas de prótons e nêutrons onde essa forma de pera é mais provável de aparecer, frequentemente perto de certos números "mágicos" que atuam como degraus estáveis em uma escada.

Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo significativo à frente no mapeamento de onde essas formas de pera existem. Eles focaram em um isótopo do elemento disprósio, especificamente um átomo com 66 prótons e 82 nêutrons. Ao estudar como esse átomo decai, eles foram capazes de medir uma propriedade chamada força de transição octupolo elétrica. Em termos simples, essa medição nos diz com que facilidade o núcleo pode mudar de uma forma de pera de volta para uma forma redonda, ou o quão fortemente ele vibra nesse modo semelhante ao de uma pera. Quanto mais forte este sinal, mais pronunciada é a forma de pera dentro do núcleo. Esta medição específica é notoriamente difícil de realizar porque os sinais são tênues e facilmente abafados por outros tipos de decaimento nuclear mais comuns.

Para capturar esse sinal elusivo, a equipe criou um feixe de átomos de disprósio em uma grande instalação de pesquisa no Canadá. Eles bombardearam um alvo com prótons de alta energia para criar uma versão rara e instável do elemento, a qual depois filtraram e desaceleraram até que estivesse no ponto ideal para observação. Esses átomos foram implantados em um sistema de fita cercado por um sofisticado arranjo de detectores. À medida que os átomos decaíam, eles emitiam raios gama, que são flashes de luz de alta energia. Os pesquisadores usaram uma técnica de temporização especializada para medir exatamente quanto tempo o núcleo excitado esperou antes de liberar sua energia. Ao combinar essa temporização precisa com uma contagem de quantas vezes o núcleo escolheu liberar energia diretamente para seu estado fundamental versus fazer um desvio através de uma etapa intermediária, eles puderam calcular a força da vibração octupolo.

Os resultados foram impressionantes. A equipe determinou que a força de transição para este isótopo de disprósio é de 46 unidades, um valor que é o maior já medido nesta cadeia específica de elementos. Esta descoberta confirma que a tendência de formar formas de pera não para na fronteira anteriormente conhecida de 64 prótons, mas se estende até pelo menos 66 prótons. Os dados sugerem que a região da tabela atômica onde essas formas são mais proeminentes é maior do que se pensava anteriormente, expandindo os limites de onde esperamos encontrá-las. Esta medição não é apenas um número; é evidência direta de uma coletividade octupolo aumentada neste átomo específico, indicando uma forte vibração de tipo pera, embora se isso representa uma deformação permanentemente estável permaneça uma questão em aberto nesta região.

Os pesquisadores compararam seus resultados experimentais com simulações computacionais complexas projetadas para prever o comportamento nuclear. Embora alguns dos modelos teóricos tenham chegado perto, nenhum deles previu totalmente a magnitude da força que observaram no átomo de disprósio. As simulações sugeriram que o efeito seria mais fraco, ou elas falharam em capturar o aumento acentuado visto nos dados. Essa lacuna entre a teoria e a medição destaca que nossa compreensão atual de como prótons e nêutrons interagem para criar essas formas ainda é incompleta. Os modelos precisam ser refinados para levar em conta as maneiras específicas pelas quais essas partículas se movem através de lacunas de energia que anteriormente eram consideradas menos significativas.

Este trabalho faz mais do que apenas adicionar um ponto de dado a um gráfico; ele redefine as fronteiras de onde devemos procurar por essas formas exóticas. A descoberta implica que a região "em forma de pera" se estende para elementos mais pesados do que os cientistas antecipavam. Também sugere que outros isótopos próximos, que ainda não foram estudados com este nível de precisão, podem possuir características de forma de pera ainda mais fortes. As descobertas fornecem uma direção clara para experimentos futuros, instando os pesquisadores a olhar para elementos ainda mais pesados para ver se essa tendência continua. Ao determinar exatamente onde essas formas são mais fortes, o estudo nos aproxima de entender as forças fundamentais que moldam a matéria ao nosso redor, sem depender de suposições ou pistas indiretas.

Resumo Técnico: Medição Direta da Coletividade Octupolar Aumentada em $^{148}\text{Dy}$

Enunciado do Problema
A existência de núcleos com formato de "pera", resultante da quebra de simetria de reflexão, é impulsionada por correlações octupolares de longo alcance, que são mais fortes quando pares de orbitais que diferem por $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ situam-se próximos à superfície de Fermi. Embora o foco teórico e experimental tenha sido significativamente direcionado para as regiões dos actinídeos ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) e lantanídeos ( $Z \sim 56, N \sim 88$ ), os limites precisos da coletividade octupolar aumentada permanecem incertos. Especificamente, embora as forças de transição $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ tenham sido observadas aumentando de $Z=50$ para $Z=64$ dentro da cadeia isotônica $N=82$ , não se sabia se essa tendência continuava além de $Z=64$ (Gadolínio) ou se os isótopos de Gd representavam o pico de coletividade nesta região. Além disso, o acesso experimental às forças de transição elétrica-octupolar (E3) é desafiador porque as transições E3 frequentemente competem desfavoravelmente com transições E1 ou E2 permitidas.

Metodologia
Os autores realizaram uma medição direta do tempo de vida médio do nível $3^-_1$ em $^{148}\text{Dy}$ e da fração de ramificação de seu decaimento para o estado fundamental.

Produção: Estados excitados em $^{148}\text{Dy}$ foram populados via decaimento $\beta^+$ /EC do isômero $5^-$ de $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9,60(13)$ s). O isômero foi produzido bombardeando um alvo de Tântalo com prótons de 480 MeV na instalação TRIUMF ISAC-I.
Purificação do Feixe: Átomos de Ho foram ionizados usando uma fonte de íons a laser para suprimir contaminantes isobáricos, seguido de separação de massa para produzir um feixe puro de $^{148}\text{Ho}$ , que foi implantado em uma fita de Mylar no centro do espectrômetro GRIFFIN.
Detecção: O espectrômetro GRIFFIN, equipado com 15 detectores HPGe clover e 8 detectores de cintilação rápida LaBr $_3$ (Ce) (com blindagem anti-Compton ativa), foi utilizado para coletar os dados de decaimento.
Medição de Tempo de Vida: O tempo de vida médio do nível $3^-_1$ foi determinado pelo método da Diferença de Centroide Generalizada (GCD). Isso envolveu a medição da diferença de tempo entre a transição de alimentação ( $5^-_1 \to 3^-_1$ em 660,8 keV) e as transições de decaimento ( $3^-_1 \to 0^+_1$ em 1687,5 keV e $3^-_1 \to 2^+_1$ em 1677,5 keV) utilizando detectores LaBr $_3$ (Ce).
Fração de Ramificação: A fração de ramificação absoluta de $\gamma$ para a transição $3^-_1 \to 0^+_1$ foi derivada pela medição da razão de intensidade das transições de 1687 keV (E3) e 1677 keV (E2) em coincidência com as transições que alimentam o nível $3^-_1$ . A contribuição da transição E1 de 10 keV não observada foi contabilizada usando coeficientes de conversão interna.
Análise: A análise de dados incluiu correções para o fundo de Compton de correlação temporal e a Diferença de Resposta Prompt (PRD) dependente da energia do sistema de detecção.

Resultos Principais

Tempo de Vida Médio: O tempo de vida médio do nível $3^-_1$ em $^{148}\text{Dy}$ foi determinado como sendo $\tau = 640(38)$ ps. Este valor foi consistente com os resultados obtidos via o método de convolução ( $\tau = 640(25)$ ps).
Fração de Ramificação: A fração de ramificação para o estado fundamental da transição $3^-_1 \to 0^+_1$ foi medida como $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0,862(11)$ .
Força de Transição: Combinando o tempo de vida e a fração de ramificação, a força de transição elétrica-octupolar reduzida foi calculada como $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u.
Comparação: Este valor representa a maior força $B(E3)$ medida em toda a cadeia isotônica $N=82$ e é uma das maiores forças de $B(E3)$ na região dos lantanídeos.

Contexto Teórico e Comparação
Os resultados experimentais foram comparados com cálculos de Aproximação de Oscilação de Quasipartículas de Campo Médio (QRPA) usando funcionais de densidade de energia Skyrme SkI3 e SkM*, bem como cálculos de Modelo de Camadas (SM) de Grande Escala.

QRPA: A interação SkM* reproduziu os dados para isótonos mais leves ( $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ), mas subestimou significativamente o aumento observado em $^{148}\text{Dy}$ . A interação SkI3 reproduziu o resultado de $^{148}\text{Dy}$ , mas superestimou a força em $^{146}\text{Gd}$ . Ambos os modelos sugerem que o aumento é impulsionado pela ocupação crescente do orbital $\pi 1d_{5/2}$ e pela disponibilidade do orbital $\pi 0h_{11/2}$ , mas nenhum captura totalmente a magnitude do aumento de $^{146}\text{Gd}$ para $^{148}\text{Dy}$ .
Modelo de Camadas (Shell Model): Cálculos padrão de SM subestimaram os valores de $B(E3)$ por um fator de dois. Uma abordagem de SM deslocada, contabilizando as excitações de nêutrons entre camadas (cross-shell) ausentes ao referenciar o núcleo $^{132}\text{Sn}$ , forneceu uma base melhor, mas ainda falhou em reproduzir o grande aumento observado entre $^{146}\text{Gd}$ e $^{148}\text{Dy}$ .

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este trabalho fornece evidência direta de coletividade octupolar aumentada além de $Z=64$ , estendendo os limites conhecidos deste fenômeno para longe dos tradicionais "números mágicos octupolares" ( $Z=56, N=88$ ).

A medição confirma que a tendência de aumento da força $B(E3)$ continua após o quase-duplamente-mágico $^{146}\text{Gd}$ , atingindo um máximo em $^{148}\text{Dy}$ dentro da cadeia $N=82$ .
O resultado desafia os modelos teóricos existentes (QRPA e SM), indicando a necessidade de descrições mais precisas das correlações octupolares entre camadas (cross-shell).
Os autores sugerem que, com base na sistemática e nas previsões de QRPA, isótopos mais pesados de Disprósio ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) e isótopos de Érbio e Itérbio podem possuir forças $B(E3)$ ainda maiores, motivando estudos experimentais futuros nestas regiões para mapear completamente os limites da coletividade octupolar.
O estudo demonstra a viabilidade de técnicas de tempo rápido (fast-timing) combinadas com medições de fração de ramificação como uma abordagem complementar à excitação de Coulomb para determinar valores de $B(E3)$ em núcleos onde decaimentos E3 são experimentalmente acessíveis.

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