⚛️ nuclear experiments

Evolution of high-spin states in neutron-rich $^{195-202}$ Au isotopes approaching the $N=126$ shell closure

本文通过多核子转移反应以及先进的瞬发与延迟 $\gamma$ 射线谱学方法，研究了靠近 $N=126$ 壳闭合附近的富中子 $^{195-202}\text{Au}$ 同位素中高自旋态的演化，并表征了其底层的壳模型构型。

原作者： Y. Cho, Y. H. Kim, A. Navin, M. Rejmund, A. Lemasson, D. Ramos, E. Clement, C. Yuan, M. Liu, P. van Isacker, A. N. Andreyev, J. Dudouet, S. Choi, Y. Son, A. Mukherjee, D. Ackermann, G. de Angelis, S.

发布于 2026-10-07

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CC BY 4.0

原作者： Y. Cho, Y. H. Kim, A. Navin, M. Rejmund, A. Lemasson, D. Ramos, E. Clement, C. Yuan, M. Liu, P. van Isacker, A. N. Andreyev, J. Dudouet, S. Choi, Y. Son, A. Mukherjee, D. Ackermann, G. de Angelis, S. Bae, R. Banik, S. Bhattacharya, S. Bhattacharyya, K. Chae, F. Didierjean, C. Fougeres G. de France, G. Fremont, J. Goupil, G. M. Gu, J. Ha, K. I. Hahn, Y. Hirayama, S. Jeong, C. H. Kim, M. J. Kim, S. H. Kim, W. Korten, P. Marini, H. Miyatake, M. Mukai, G. Mukherjee, T. Niwase, T. Otsuka, J. Park, R. M. Perez-Vidal, F. Recchia, K. Rezynkina, P. Schury, J. C. Thomas, D. T. Kattikat Melcom, I. Tsekhanovich, A. Utepov, Y. X. Watanabe

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

在每一个原子的核心深处，都隐藏着一个原子核，这是一个由质子和中子组成的致密集群，由那些挑战我们日常直觉的力量维系在一起。几十年来，物理学家一直在绘制这些原子核的景观图，发现它们并非随机堆积的粒子堆，而是具有清晰能级的高度组织化结构，非常类似于梯子的横档。特定数量的质子或中子会创造出特别稳定的构型，被称为“幻数”，它们构成了核世界的坚实基石。其中一个基石存在于铅元素中，具体而言是拥有82个质子和126个中子的同位素，这种双幻数原子核是理解物质在极限状态下如何表现的重要参考点。就在这个稳定岛屿的左侧，在黄金的区域，科学家们对添加大量中子后会发生什么很感兴趣。这些富中子的金同位素非常罕见且难以制造，然而，它们是理解重元素如何在恒星剧烈爆炸中锻造而成，以及宇宙中最重的原子是如何组装起来的关键。

最近，一个研究小组将注意力转向了这个难以捉摸的区域，专注于一系列质量从195到202的金同位素。这些特定版本的黄金是富中子的，这意味着它们携带的中子比珠宝中常见的稳定金更多，并且恰好位于126个中子的壳层闭合点之前。科学家们想要观察这些原子在接近该幻数时其内部结构如何变化。具体来说，他们正在寻找高能态，即原子核快速旋转的状态，这种状态揭示了单个质子和中子是如何排列并相互作用的。通过研究这些旋转状态，该团队希望测试预测原子核行为的理论模型，并完善我们对结合它们的力量的理解。

为了捕捉到这些稍纵即逝的富中子原子，研究人员必须在受控环境中创造它们。他们使用一台强大的粒子加速器，向一个由铂制成的靶标发射重氙离子束。当这两个重原子核碰撞时，它们并不仅仅是互相弹开；相反，它们交换了一群质子和中子，这一过程被称为多核子转移。这种碰撞就像是一场高速交易，在两个原子之间交换碎片，从而创造出在地球上自然界并不存在的新型不稳定金同位素。实验是在法国的一个设施中进行的，那里有一套复杂的探测器阵列，随时准备捕捉这些碰撞后的即时后果。该装置包括一个大型磁谱仪，用于按质量和电荷对产生的碎片进行分类，以及一个高精度伽马射线照相机，用于记录新原子从激发态沉降时发出的光。

该团队成功识别并研究了八种不同的金同로素，范围从195到202。对于奇数同位素，他们观察到了一个熟悉的模式：一个特定的状态，其中原子核以中等速率旋转，随后是一系列更高自旋的状态，形成一个能带。然而，当他们观察较重的同位素，特别是那些恰好拥有119个中子的同位素时，发现了意想不到的情况。在这些原子中，旋转态的能量水平显著降低，低于现有理论所预测的平滑趋势。这就像是能量阶梯在某个特定的横档处突然出现了一个凹陷，这一特征在金同位素及其相邻的汞亲戚中都一致出现。这种凹陷表明，在特定的中子计数下，原子核的内部结构发生了微妙但重要的变化，而目前的计算机模型无法重现这一细节。

研究人员还发现了较重金同位素（199和201）中的长寿命态。这些被团队鉴定为具有25/2自旋的状态，充当了原子核释放能量前的临时停留点。在较轻的金同位素中，类似的态几乎瞬间衰变，但在这些较重的版本中，它们可以持续数分之一毫秒。这种行为差异提供了明确的信号，表明随着原子核变得更重，质子和中子的排列正在发生偏移。此外，团队注意到，一种曾在较轻金同位素中出现的特定旋转模式，在较重的同位素中完全消失了。这种消失并非谜团，而是理论的证实；随着中子数量的增加，维持该特定模式所需的能量变得过高，从而有效地将其推出了可观测范围。

为了理解这些观察结果，科学家们基于壳层模型运行了大规模计算机模拟，该理论将质子和中子视为在原子核内特定轨道中运动。模拟结果与实验数据基本吻合，证实了高自旋态是由质子和中子在特定高能轨道上的运动驱动的。计算显示，随着原子核旋转得更快，质子和中子会以协调的方式使它们的自旋对齐，从而促成整体的旋转。然而，模拟难以解释在119个中子处出现的能量水平骤降。虽然模型可以预测总体趋势，但却错过了这个特定的凹陷，这表明关于这些粒子在这一精确点如何相互作用的拼图仍有一部分缺失。

研究还阐明了质子和中在中子创造高自旋态中所扮演的角色。在较轻的金同位素中，质子是自旋的主要驱动力，贡献了稳定的角动量。但随着同位素变重并接近126个中子的极限，中子开始接管。在研究的最重同位素中，中子对自旋的贡献超过了质子，标志着核动力学的明显转变。这种交叉现象表明，随着原子核被中子填满，内部的力量平衡发生了变化，从而改变了原子在极端条件下的行为。

最终，这项工作为理解稳定性边缘的核景观提供了更清晰的图景。通过绘制这些稀有金同位素的能量水平和自旋状态，研究人员为描述原子核是如何构建的理论提供了严谨的测试。在119个中子处发现的能量凹陷以及自旋贡献的转变，提供了关于原子内部作用力的线索。虽然目前的模型解释了大部分观察到的现象，但那个未被解释的凹陷仍然是一个开放性的问题，邀请进一步的研究。这项研究不仅深化了我们对金原子的理解，也完善了科学家用来追踪宇宙中重元素起源的工具，让我们离理解物质的基本架构又近了一步。

技术摘要：接近 $N=126$ 壳层闭合的富中子 $^{195-202}$ Au 同位素高自旋态的演化

问题与动机
位于双幻核 $^{208}$ Pb ( $Z=82, N=126$ ) 西南区域的核结构，对于基准化与重元素形成相关的理论模型，以及 $A \approx 195$ 质量丰度分布峰值的起源至关重要。虽然富中子 Pb、Tl 和 Hg ( $Z=80-82$ ) 同位素已得到相对充分的研究，但由于显著的实验挑战，富中子金 (Au, $Z=79$ ) 同位素的实验数据仍然稀缺。具体而言，该区域的高自旋激发是由 $Z=82$ 以下的质子空穴和 $N=126$ 以下的中子空穴驱动的，主要涉及高- $j$ 特有宇称轨道 $\pi h_{11/2}$ 和 $\nu i_{13/2}$ 。对已知同质异能态（奇 $A$ 同位素中的 $11/2^-$ 和偶 $A$ 同位素中的 $12^-$ ）之上能级方案的详细理解，对于阐明这些轨道的作用并为如 $\beta$ 衰变率的理论预测等天体 r-过程模型提供约束是必要的。以往的研究主要局限于低自旋态或较轻的同位素（ $A \le 195$ ），使得靠近 $N=126$ 的富中子 Au 同位素的高自旋结构在很大程度上仍未被探索。

方法论
本研究利用了多核子转移 (MNT) 反应，具体为 $^{198}$ Pt( $^{136}$ Xe, $x$ n) $^{y}$ Au 反应，能量为 7 MeV/u，实验在 GANIL 设施进行。选择这种反应机制是因为它能有效地产生富中子原子核，并有利于产生高自旋的 yrast 态。实验采用了一个独特的集成装置，结合了：

VAMOS++： 一个大接收度磁谱仪，用于检测用于同位素鉴定的射流类碎片 (PLF)。
CATLIFE： 一个新开发的靶类碎片 (TLF) 检测系统，由一个多线比例计数器 (MWPC) 和一个铝阻挡器组成，随后是 EXOGAM HPGe 簇探测器，用于捕捉延迟 $\gamma$ 射线。
AGATA： 一个 $\gamma$ 射线追踪阵列，用于测量与 PLF 共线的瞬发 $\gamma$ 射线。

分析依赖于使用运动学重建（总动能损失，TKEL）和粒子鉴别（ $Z, A, q$ ）进行的逐事件反应产物识别。瞬发和延迟 $\gamma$ 射线谱学通过将 $\gamma$ 射线跃迁与特定的 PLF 伴侣进行关联，并通过优化 TKEL 窗口来分离特定的 Au 同位素（ $^{195-202}$ Au）。同质异能态的半衰期通过对衰变曲线进行指数拟合来确定。

主要贡献与结果
本工作显著扩展了 $^{195-202}$ Au 同位素已知的高自旋能级方案：

奇 $A$ 同位素 ( $^{195, 197, 199, 201}$ Au)：
- 鉴定了在 $11/2^-$ 同质异能态之上的新瞬发和延迟 $\gamma$ 射线跃迁，扩展了已知的能级方案。
- 在 $^{199}$ Au ( $T_{1/2} = 0.14(2)$ ms) 和 $^{201}$ Au ( $T_{1/2} = 15.2(29)$ $\mu$ s) 中确立了新的自旋-宇称赋值为 $(25/2^+)$ 的同质异能态。
- 在 $^{195}$ Au 和 $^{197}$ Au 中，基于 $11/2^-$ 态的高自旋带得到了扩展，并修正了 $^{197}$ Au 的能级方案，以纠正 769 keV 跃迁的顺序。
偶 $A$ 同位素 ( $^{196, 198, 200, 202}$ Au)：
- 首次在 $^{196, 198, 200, 202}$ Au 中观察到了建立在 $12^-$ 同质异能态之上的瞬发 $\gamma$ 射线跃迁。
- 在 $^{198}$ Au 中，在 $12^-$ 态之上建立了级联跃迁（293, 386, 403, 411, 531, 747, 774 keV）。自旋-宇称赋值参考了同质同位素 $^{199}$ Hg 的系统性特征。
- 此前在较轻的偶 $A$ Au 同位素（ $A \le 194$ ）中观察到的 $11^-$ 带，在 $A \ge 196$ 时未被观察到。
系统性与激发能演化：
- 在 $N=119$ ( $^{198}$ Au) 处观察到一个明显的“凹陷”，即高自旋带激发能的极小值。该极小值在高自旋时更为显著，且在 $N \le 118$ 或 $N \ge 120$ 的同位素中并不存在。
- Au 同位素的激发能模式紧随相应的 Hg 同位素，表明其具有粒子-核耦合结构，即 Au 原子核表现为一个质子空穴耦合到一个 Hg 核。
- $11^-$ 带在较重的同位素（ $N \ge 117$ ）中缺失，归因于随着中子数增加， $12^-$ 态降至 $11^-$ 态之下。

理论分析
使用 Kuo-Herling Hole 有效相互作用 (KHHE) 进行了大规模壳模型 (LSSM) 计算。

符合之处： 计算总体上重现了实验能级方案，并预测了 $^{199}$ Au 和 $^{201}$ Au 中 $21/2^+$ 和 $25/2^+$ 态的近简并性，支持了对 $(25/2^+)$ 同质异能态的实验鉴定。计算还成功预测了随着中子数增加， $11^-$ 带相对于 $12^-$ 带上升的趋势。
差异之处： 计算未能重现 $N=119$ 处观察到的激发能极小值。模型计算的结合能差异或配对能差异在这一中子数处均未表现出极小值。
轨道占据情况： 对空穴占据情况的分析显示，负宇称态通常保持单个 $\pi h_{11/2}$ 空穴。在奇 $A$ 原子核中， $\nu i_{13/2}$ 空穴占据率随中子数减少而增加，而在偶 $A$ 原子核中则保持在接近 1 的水平。
自旋贡献： 质子自旋贡献在整个同位素链中保持几乎恒定（ $\approx 11\hbar$ ），由 $\pi h_{11/2}$ 空穴驱动。相比之下，中子自旋贡献随总自旋稳步增加。在 $^{202}$ Au 处发生了一个交叉，即中子贡献在产生高自旋态方面变得比质子贡献更占主导地位。

意义
本文报告了对靠近 $N=126$ 壳层闭合的富中子 Au 同位素高自旋态的系统性探索，填补了 $A \ge 196$ 实验数据的空白。新同质异能态的鉴定和能级方案的扩展为壳模型相互作用提供了重要的基准。在 $N=119$ 处观察到的能量凹陷凸显了一个目前尚未被标准壳模型计算所解释的结构特征，表明需要对该特定中子数范围内的能级演化进行进一步的理论和实验研究。这些结果强化了高- $j$ 特有宇称轨道在塑造高自旋结构中的作用，并提供了有助于约束 r-过程核合成模型的数据。

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