Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

在每一个原子的核心深处，都存在着一个原子核，这是一个由质子和中子组成的致密集群，它的行为不像是一个静态的粘土球，而更像是一个可以拉伸、挤压和振动的液滴。几十年来，物理学家一直研究这些微小的核心，以理解它们是如何结合在一起以及如何改变形状的。该领域最迷人的谜题之一涉及那些似乎同时存在于两种不同形状中的原子。想象一个原子核，它可以像台球一样完美地呈圆形，然后突然在不改变粒子数量的情况下拉伸成橄榄球的形状。这种被称为“形状共存”的现象，挑战了我们对物质在最小尺度上如何组织的理解。科学家们将目光投向了一类特定的原子，即锡同位素，因为它们提供了一条长而稳定的链条，可以在其中观察并测量这些形状变化。通过研究这些原子如何在不同的形状之间进行转换，研究人员希望揭示支配所有物质结构的根本规则。

在最近的一项研究中，一组物理学家将注意力转向了一组特定的锡原子，其质量数范围从较轻的114到较重的122。他们特别关注在其中一些原子中报告的一种奇怪异常：一项测量结果表明，该原子核的行为违背了标准预期。具体而言，当这些原子从一个能级跃迁到另一个能级时，跃迁的概率并没有遵循在其他元素中看到的平滑模式。相反，数值降到了一个临界阈值以下，暗示着原子的内部结构发生了比任何人预期的都要剧烈的变化。为了解决这个谜团，研究人员建立了一个数学模型，该模型不将原子核视为单个粒子的集合，而是将其视为一个在能量景观中运动的单一物体。他们将这种景观想象成一个带有两个不同凹陷（或称“势阱”）的山谷。一个凹陷代表圆形的球形，而另一个则代表拉伸的变形形状。原子核可以稳定在其中一个凹陷中，也可以以两者的混合状态存在。

研究人员利用这个双阱景观来模拟锡原子的行为，通过调整山谷的形状来观察是否能够重现实验室中测得的实际能级。他们发现，通过仔细调节这两个凹陷的深度和宽度，他们的模型可以准确匹配不同锡同位素的实验数据。模拟显示，该组中较轻和较重的原子（如质量数为114和122的原子）与中间的原子表现得截然不同。在较轻的原子中，原子核开始于近乎圆形的形状，但随着它获得能量并旋转得更快，它会经历一个向高度拉伸形状的突然且剧烈的转变。这种结构的突变意味着描述圆形状态的波与描述拉伸状态的波之间的重叠程度很差。由于这两种形状差异巨大，原子难以在它们之间进行转换，从而导致了令科学家感到困惑的异常低概率值。

对于质量数为120和122的较重原子，情况略有不同，但会导致类似的结果。在这里，原子核处于一种圆形和拉伸形状几乎等可能存在的状态，创造了一种“分裂人格”，即原子同时处于两种非常不同的构型中。这种双重性也破坏了能级之间的转换，导致概率下降到接近相同的低阈值。位于中间组（质量数为116和118）的原子表现出一种更融合的行为，其中两种形状融合得更加平滑，从而避免了概率的骤降。研究还观察了这些形状如何相互混合。在某些情况下，圆形和拉伸构型保持分离且独立，这被称为“无混合的形状共存”现象。在其他情况下，它们则融合在一起。研究人员发现，这些形状混合或保持分离的具体方式，决定了能级之间转换的强度。

通过成功地使模型与现实世界的数据相匹配，该团队为这些异常测量结果提供了一个清晰的解释。他们证明了这种奇怪的跃迁概率下降并非随机误差或理论失效的迹象，而是原子核形状变化过快或同时存在于两种冲突形状下的直接结果。研究证实，这些锡原子的基态是近乎球形的，而它们的激发态是高度变形的。该异常的关键在于该组中具有最高自旋的原子态，它充当了圆形世界与拉伸世界之间的桥梁。当这座桥梁建立在两个截然不同的形状基础之上时，连接就会变得微弱，从而导致跃迁概率下降。这项工作提供了一幅关于原子核形状如何随元素链演化的详细地图，表明仅仅增加几个粒子，原子的内部架构就会发生剧烈变化，从而重塑了我们对维持原子核结合力的力量的理解。