核变形图采用山地景观的形式

镍-64核变形景观

镍-64核的变形景观。红、绿、蓝椭球分别表示长、扁局部最小值和主球面最小值。来源:“潘

直到最近,科学家们还认为,只有非常大的原子核才能激发具有显著变形形状、稳定性增强的零自旋状态。与此同时,一个来自罗马尼亚、法国、意大利、美国和波兰的国际研究小组在他们最新的文章中表明,这种状态也存在于更轻的镍核中。对这些实验中所使用的理论模型的肯定验证,使我们能够描述地球实验室所不能描述的核的性质。

超过99.9%的质量原子来自原子核,它的体积比整个原子的体积小一万亿倍。因此,原子核的密度高达每立方厘米1.5亿吨。这意味着一汤匙的核物质的重量几乎相当于一立方千米的水。尽管原子核体积很小,密度惊人,但它是由质子和中子组成的复杂结构。

人们可能会认为这种密度极高的物体总是呈球形的。然而,在现实中,情况却截然不同:大多数核都是变形的——它们的形状沿着一个甚至两个轴同时变平或拉长。为了找到给定原子核的最优形式,习惯上要构造势能作为变形函数的图景。

一种可以通过绘制平面坐标是变形参数的地图来可视化这种横向,即沿两个轴的伸长或扁平化,而颜色表示将核带到给定形状所需的能量。这种地图是一个充满类比的山地形的地理地图。

如果原子核是在核反应中形成的,它出现在地形的一个给定点——它需要特定的变形。然后开始向最低能量点滑动(改变变形)(稳定变形)。然而,在某些情况下,在达到基态之前,它可能在某个局部极小值(即陷阱)中停止一段时间,这与亚稳态变形相对应。这很像在山区某个特定位置的泉水,然后向下流动。在到达谷底之前,它可能会被困在当地的洼地中一段时间。如果有一条小溪将当地的低洼地与景观的最低点连接起来,水就会往下流。如果洼地被很好地隔离,水会在那里停留很长时间。

实验表明,旋转零时核变形景观中的局部最小值仅存在于大于89(actinium)的巨大核中,并且在200上方的质子和中子的总数。这些核可以被困在这些二级最小值稳定变形的时间甚至超过数百万的时间长于达到地面状态所需的时间而不被陷阱减慢。

直到几年前,在较轻元素的原子核中还从未观察到与亚稳形变有关的激发态零自旋。这种情况在几年前发生了改变,当时在含有28个质子和38个中子的镍-66中发现了一种具有较大变形的状态,其特征是稳定性增加。东京大学的理论学家们用复杂的蒙特卡罗壳模型进行了计算,预测了这种变形圈闭。

我们的日本同事执行的计算也提供了另一个意外结果,Bogdan Fornal教授(IFJ PAN)说。他们指出,与相当大的形变有关的一个深的、局部的凹陷(陷阱)也应该存在于镍-64的势能景观中,这个原子核比镍-66少两个中子,到目前为止,它被认为只有一个主要的最小值,是球形的。问题是,在镍-64中,低气压是在高激发能下预测的——就像在高山地形的高海拔地区一样——要找到一种实验方法来把原子核放在这个陷阱中是极其困难的。

一项杰作包括四项互补实验,由来自罗马尼亚(布加勒特的IFIN-HH)、法国(格勒诺布尔的Laue-Langevin研究所)、意大利(米兰大学)、美国(北卡罗莱纳大学和TUNL)和波兰(IFJ PAN,克拉科夫)的实验人员领导的合作共同进行。测量是在欧洲和美国的四个不同的实验室进行的:Laue-Langevin研究所(格勒诺布尔,法国),IFIN-HH Tandem实验室(罗马尼亚),Argonne国家实验室(芝加哥,美国)和三角大学核实验室(TUNL,美国北卡罗莱纳)。采用了不同的反应机制,包括质子和中子转移、热中子俘获、库仑激发和核共振荧光,并结合了最先进的伽马射线探测技术。

所有数据综合起来可以建立两个二次最小值的存在潜在的能源格局的镍- 64,对应于扁(扁平的)和扩展的(拉长)椭球形状,扩展的形式是深和孤立的显著减速过渡到主球最低。

“当原子核被困在Ni-64核的延长极小期时,它所花的时间的延长并不像重原子核那样壮观,重原子核的时间达到数千万倍。我们只记录了几十倍的增长;然而,这种增长与新的理论模型所提供的增长接近,这是一个伟大的成就,”福尔纳尔教授说。

该研究的特别有价值的结果是识别复杂核系统中核子之间作用的前面未被克服的部件,所谓的张量单极,这是镍同位素中的多方尺寸变形景观。科学家预计这种互动在很大程度上是在很大程度上塑造尚未被发现的许多核的结构。

在更广泛的角度来看,调查表明,这里应用的理论方法,能够充分预测镍核的独特特点,有巨大的潜力在描述的属性核系统中无法访问实验室今天在地球上,而是不断地在恒星中产生。

参考文献:“形状共存在零自旋64Ni驱动的单极张量相互作用”,N. Mărginean等人,2020年9月2日,物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.102502

资助项目:欧盟H2020 ENSAR2、意大利国家核研究所、波兰国家科学中心、FNRS、罗马尼亚核项目、美国能源部、科学办公室、核物理办公室、国家科学基金会、ONR、NARC。

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