⚛️ nuclear experiments

Low lying excitations in $^{150}$ Pm

本研究利用质子诱导反应和 $\gamma$ 射线谱学技术研究了奇奇核 $^{150}$ Pm 的低能激发态，旨在建立包含 15 个新能级的全新能级图，确定暂定的自旋宇称赋值与寿命，并通过大基组投影壳模型计算对结果进行解释，揭示了其 $1^-$ 基态、一个邻近的 $2^-$ 态以及一个低能 $6^-$ 同质异能态。

原作者： A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samant

发布于 2026-06-25

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CC BY 4.0

原作者： A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samanta, S. Chatterjee, R. Raut, S. S. Ghugre, J. A. Sheikh

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，原子核不仅仅是一个实心的球体，而是一个繁忙、混乱的舞池，质子和中子就是其中的舞者。在大多数原子核中，这些舞者的动作是完美且可预测的。但在某些“过渡性”原子核中（例如本文研究的镥-150，即 150Pm），这个舞池显得有些不稳定。它正处于球形（像一个光滑的球）与变形（像一个橄榄球）之间的边缘地带。

这篇论文本质上是一份由核物理学家团队撰写的报告，他们前往这个特定的舞池，旨在弄清楚舞者们究竟是如何运动的、他们的自旋是多少，以及他们在变换姿势前会保持某种姿势多久。

以下是他们的旅程与发现的详细拆解：

1. 挑战：捕捉幽灵

研究 150Pm 就像试图拍摄一个只出现几个小时的幽灵。

问题： 这个原子极不稳定，在自然界中并不大量存在。你不能直接挖掘它；你必须创造它。
方法： 团队使用了一个巨大的粒子加速器（回旋加速器），将质子（微小的、高速的子弹）射向钕-150（Neodymium-150）靶标。当质子击中靶标时，它们会撞出一个中子，从而将原子转化为 150Pm。
探测： 当这些新生成的原子趋于稳定时，它们会发出被称为伽马射线（gamma rays）的光闪。团队使用了一组由五个“苜蓿型”（Clover）探测器（看起来像花瓣一样）和一个特殊的低能探测器组成的精密阵列来捕捉这些闪光。这就像拥有一支高倍速摄影团队，试图捕捉舞者旋转并发出光芒的那一瞬间。

2. 理清混乱：发现“两组”之谜

探测器记录了数千次闪光。棘手之处在于，实验还意外产生了一个略微不同的原子（镥-149），它也在闪烁。这就像是在尝试从一堆混杂的红蓝弹珠中进行分类。

技巧： 团队在两种不同的速度（束流能量）下运行了实验。他们注意到“红弹珠”（149Pm）的行为方式与“蓝弹珠”（150Pm）有所不同。通过比较两种速度下的数据，他们可以过滤掉噪声，分离出 150Pm 的真实信号。
结果： 他们成功绘制出了“能级图”（level scheme）。你可以把它想象成绘制一栋建筑的平面图。他们发现了 15 个新的房间（能级） 和 16 条新的走廊（伽马跃迁），这些都是此前从未被发现过的。

3. 舞步：自旋与宇称

在核物理学中，每个能级都有一个“自旋”（旋转的速度）和“宇称”（它是镜像对称还是反转的）。

基态： 最重要的问题是：这个原子的“默认”姿态是什么？之前的研究一直在争论它是一个“1-负”还是“2-负”的姿态。
结论： 通过将他们的新数据与计算机模拟（壳层模型）相结合，团队得出结论：基态是 1-负。
近邻态： 他们还发现了一个非常接近基态的状态（仅相差约 50 keV，就像在嘈杂房间里的耳语），其自旋为 2-负。
同质异能态： 他们识别出了一个“亚稳态”（同质异能态），其自旋为 6-负。可以将其想象为一个舞者在恢复原状前，卡在一个困难姿势上停留了一瞬间。

4. 计时舞蹈：寿命

团队想要知道原子在跌落到地面层之前，会在这些激发的“房间”里停留多久。

技术： 他们使用了一种称为“广义质心差分法”的技术。想象两个跑步者在略微不同的时间出发。通过测量他们跨越终点线的时间之微小差异，你可以计算出他们的速度。
发现： 他们测量了两个特定能级的“寿命”。两者都极其短暂，持续时间不到 2 纳秒（十亿分之一秒）。这表明这些状态非常不稳定，几乎是瞬间就会跌落。

5. 计算机模拟：理论是否吻合？

为了理解他们的观察结果，团队运行了两种类型的计算机模拟：

球形模型： 该模型将原子核视为一个光滑的球体。它成功预测了基态和附近的低能态，证实了单粒子（质子和中子）是这里主要的舞者。
投影壳层模型： 该模型将原子核视为一个略微挤压的橄榄球。该模型有助于解释“能带结构”——即成组出现的能级，看起来像梯子一样。它表明这些能级是由成对的准粒子（质子-中子耦合对）共同起舞形成的。

总结

简单来说，这篇论文是关于一个非常不稳定、过渡性原子核的详细地图。团队：

使用粒子加速器创造了该原子。
过滤掉了背景噪声，找到了 15 个新的能级。
确定了该原子的“默认”状态是 1-负 自旋。
发现了一个接近的 2-负 态和一个较高的 6-负 同质异能态。
测量出这些激发态在不到 2 纳秒内就会消失。
证实了单粒子模型和配对舞者模型可以解释他们观察到的绝大部分现象。

论文最后指出，虽然他们在理解这一特定原子核方面取得了巨大飞跃，但“舞池”非常复杂，仍需要更高分辨率的测量，才能完全理解那些目前的模型还无法准确预测的正宇称态（舞池的另一侧）。

技术摘要： $^{150}\text{Pm}$ 中的低能级激发

问题陈述
在 $A \sim 150$ 过渡区，特别是对于奇奇核（odd-odd nuclei）的核结构，尽管其在从球形振动体到变形转子的量子形状相变（QPT）中具有重要意义，但目前仍不为人所知， $^{150}\text{Pm}$ ( $Z=61, N=89$ ) 正是其中之一。该核位于处于 $X(5)$ 对称性的 even-even 邻居核 $^{150}\text{Nd}$ 和 $^{152}\text{Sm}$ 之间。现有的关于 $^{150}\text{Pm}$ 的实验数据非常稀少，且关于基态自旋-宇称 ( $J^\pi$ ) 的报告存在冲突。虽然一些研究基于 $\beta$ 衰变强度测量建议其基态为 $1^-$ ，但另一些研究基于 $(^3\text{He}, t)$ 反射反应数据则提出其为 $2^-$ 基态，且通常假设附近不存在 $1^-$ 能级。此外，低能异构态的存在及其性质（这可能会通过慢中子俘获过程影响核合成），以及该奇奇系统中能带结构的发展也需要澄清。数据稀缺的原因在于通过稳定靶材激发这些能级的难度较大，且缺乏合适的 $\beta$ 衰变路径。

方法论
本研究利用了在加尔各答变量能量回旋加速器中心（VECC）进行的质子诱导反应 $^{150}\text{Nd}(p,n)^{150}\text{Pm}$ 。使用高丰度（ $97.65\%$ ）的 $^{150}\text{Nd}$ 靶，在 8 MeV 和 9 MeV 两个能量下进行质子束辐照。衰变 $\gamma$ 射线通过印度国家伽马阵列（INGA）进行探测，该阵列由五个 BGO 抑制的 Clover HPGe 检测器和一个分段平面型 Ge 检测器（LEPS）组成。

数据分析包括：

激发函数分析：比较 8 MeV 和 9 MeV 下的单 $\gamma$ 射线产额，以区分属于 $^{150}\text{Pm}$ 的跃迁与污染物 $^{149}\text{Pm}$ ，并利用基于 211 keV 线（ $^{149}\text{Pm}$ ）的归一化因子进行处理。
符合分析：构建对称（Clover-Clover）和非对称（Clover-LEPS） $\gamma-\gamma$ 矩阵，以建立能级图并放置新跃迁。
强度测量：利用 $\gamma-\gamma$ 矩阵的总投影和门控投影来确定相对强度。
自旋-宇称赋值：采用有限的角度分布分析（使用位于 $86.5^\circ, 93.5^\circ$ 和 $125^\circ$ 的探测器）来提取角度分布系数 ( $a_2$ ) 并推断多极性。
寿命分析：使用广义质心差分（GCD）技术估计两个激发态的寿命，该技术使用纳秒量级的 Ge 检测器，并参照 $^{149}\text{Pm}$ 和 $^{150}\text{Sm}$ 的已知寿命进行校准。
理论建模：使用 NuShellX@MSU 进行大基底球形壳模型（LBSM）计算，以 $^{132}\text{Sn}$ 为惰性核，从而约束基态性质。此外，还进行了投影壳模型（PSM）计算，利用变形平均场来解释能带结构和准粒子构型。

主要贡献与结果

能级图构建：研究在 $^{150}\text{Pm}$ 能级图中识别并放置了 16 条新 $\gamma$ 射线和 15 个新能级。三条先前已知的 $\gamma$ 射线（76.6, 159.2 和 229.5 keV）在能级图中被重新定位。
基态赋值：基于角度分布数据、壳模型预测和唯象论据，将 $^{150}\text{Pm}$ 的基态赋值为 $1^-$ 。一个紧邻的 $2^-$ 态被提议位于约 50 keV 处（在壳模型计算中为 31 keV），这可能解释了此前存在冲突的赋值。
异构态：识别出一个低能级的 $6^-$ 异构态。第二组能级（包括 177.2+X, 336.4+X, 和 454.8+X keV）被暂时放置在该异构态上，与基态带不同。
能带结构：数据揭示了新兴的类能带结构。提出了负宇称带（B1, B2, B3）和正宇称带（B4, B5）。B1 带被鉴定为最底层（yrast）序列。
寿命测量：利用 GCD 技术，将 128.3 keV 和 177.2+X keV 能级的寿命估计为小于 2 ns。
理论解释：
- 壳模型：LBSM 计算成功重现了 $1^-$ 基态以及低能负宇称态的主要质子-中子构型（ $\pi g_{7/2} \otimes \nu f_{7/2}$ ）。然而，它预测的能级密度低于观测值，且未能预测低能正宇称态，这可能是由于模型空间截断导致的。
- 投影壳模型：结合变形（ $\epsilon \approx 0.208$ ）的 PSM 计算对旋转能带结构和准粒子构型提供了合理的描述，支持了将观测到的序列解释为准粒子带的观点。

意义
本文声称，这项工作提供了迄今为止最全面的 $^{150}\text{Pm}$ 低能级能级图，通过确认 $1^-$ 赋值解决了关于基态自旋-宇称的歧义。低能 $6^-$ 异构态的识别以及新兴能带结构的表征，为理解靠近 $N=90$ 形状转变区域的奇奇核中单粒子激发与集体旋转行为之间的相互作用提供了关键见解。这些结果作为理解该质量区临界点对称性的基准，并强调了高分辨率谱学在完整绘制此类过渡核结构中的必要性。作者指出，虽然当前数据支持所提出的赋值，但未来仍需要具备角度分布和极化能力的融合蒸发或转移反应测量，以实现确定性的自旋-宇称赋值。

1. 挑战：捕捉幽灵

2. 理清混乱：发现“两组”之谜

3. 舞步：自旋与宇称

4. 计时舞蹈：寿命

5. 计算机模拟：理论是否吻合？

总结

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