Независимая проверка октупольной коллективности в радии-224
Контекст
В науке независимая проверка результатов является краеугольным камнем достоверности, однако в ядерной физике она проводится редко из-за ограниченного доступа к уникальным пучкам радиоактивных изотопов. Ядро 224Ra стало ключевым объектом после того, как в эксперименте по кулоновскому возбуждению были получены свидетельства стабильной октупольной деформации, то есть грушевидной формы ядра. Такая форма приводит к усилению чувствительности к нарушениям пространственной и временной чётности, что делает подобные ядра перспективными для поиска постоянных электрических дипольных моментов. Однако теоретические расчёты указывают на аномально слабые электрические дипольные переходы в 224Ra из-за тонкой компенсации вкладов, поэтому прямое измерение времён жизни низколежащих состояний отрицательной чётности стало важной независимой проверкой.
Методы
Эксперимент выполнен на ускорительном комплексе TRIUMF в Канаде. Пучок протонов с энергией 520 МэВ направлялся на мишень из карбида урана, из которой методом изотопной сепарации онлайн выделялись ионы 224Fr. Эти ионы имплантировались в тонкую майларовую ленту в центре массива детекторов GRIFFIN, где происходил бета-распад с заселением возбуждённых состояний 224Ra. Для измерения времён жизни использовались сцинтилляционные детекторы LaBr3(Ce) с высоким временным разрешением. Сигналы от детекторов разделялись на энергетическую и временную ветви: энергия регистрировалась дигитайзерами, а временные интервалы между каскадными гамма-квантами преобразовывались в амплитуды импульсов с помощью время-амплитудных конвертеров. Гистограммы задержек строились для двух конфигураций (прямой и обратной), затем суммировались и аппроксимировались свёрткой гауссовой функции с экспоненциальным спадом, что позволяло извлечь среднее время жизни.
Результаты
Средние времена жизни составили 444(6) пс для состояния 1− и 460(18) пс для состояния 3−. Эти значения согласуются с результатами, полученными из кулоновского возбуждения, но имеют в несколько раз меньшую неопределённость. На основе времён жизни и известных коэффициентов ветвления были вычислены приведённые вероятности электрических дипольных переходов: B(E1;1−→0+) = (3.5±0.1)×10−5 В.е., B(E1;1−→2+) = (7.4±0.4)×10−5 В.е., B(E1;3−→2+) = (3.6±0.2)×10−5 В.е. Эти значения соответствуют внутреннему дипольному моменту D0 ≈ 0.032 e·фм, что подтверждает его сильное подавление. Отношение вероятностей переходов из состояния 1− близко к значению 2, ожидаемому для жёсткого ротатора, но для перехода из состояния 3− отношение заметно ниже теоретического, что указывает на возможную зависимость матричного элемента E1 от спина.
Значение
Результаты независимо подтверждают, что 224Ra обладает сильной октупольной коллективностью, но при этом имеет аномально малый внутренний электрический дипольный момент. Это согласуется с макроскопически-микроскопической моделью, предсказывающей почти полное сокращение вкладов. Сравнение с расчётами в рамках теории функционала плотности энергии и модели взаимодействующих бозонов показывает, что воспроизведение энергий возбуждения недостаточно: необходимо точно описывать тонкую протон-нейтронную компенсацию, определяющую силу E1-переходов. Такая проверка важна для теоретических моделей, используемых при оценке моментов Шиффа в октупольно-деформированных ядрах, что напрямую связано с поиском электрических дипольных моментов атомов и ядер.
Развитие
Дальнейшее уточнение времён жизни и матричных элементов в 224Ra и соседних изотопах радия позволит построить более строгую картину эволюции октупольной деформации. Особый интерес представляет измерение аналогичных величин в 225Ra и 223Rn, где ожидаются ещё более сильные эффекты нарушения чётности. Развитие методов быстрых временных измерений на новых установках, таких как FIPPS в ИЛЛ или будущие массивы сцинтилляторов, может расширить круг исследуемых ядер. Кроме того, сравнение с усовершенствованными микроскопическими моделями, включающими явный учёт октупольных корреляций, поможет выявить механизм подавления дипольного момента.
Влияние
Результаты окажут влияние на ядерную спектроскопию актинидов, теорию коллективных возбуждений и поиск новой физики за пределами Стандартной модели через измерение электрических дипольных моментов.
Следующие шаги
Следующим шагом может стать измерение времён жизни более высоколежащих отрицательно-чётностных состояний в 224Ra, а также аналогичные исследования в 226Ra и 228Th для систематического изучения октупольной коллективности.
Ключевые проблемы
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой количественного описания октупольной деформации и связанных с ней электромагнитных свойств в актинидах. Существующие модели расходятся в предсказаниях сил E1-переходов на порядки, и полученные точные данные служат жёстким ориентиром для их улучшения. Кроме того, остаётся открытым вопрос о природе аномально малого дипольного момента в 224Ra на фоне сильной октупольной коллективности, что требует более глубокого понимания микроскопических механизмов.
Ядро 224Ra по форме напоминает грушу, но при этом его электрический дипольный момент почти равен нулю, хотя обычно грушевидные ядра обладают заметным дипольным моментом. Это как если бы у груши была идеально сбалансирована электрическая поляризация, несмотря на явную асимметрию формы.
Ключевые числа
- время жизни состояния 1−: 444(6) пс
- время жизни состояния 3−: 460(18) пс
- внутренний дипольный момент: 0.032 e·фм
- вероятность перехода B(E1;1−→0+): 3.5×10−5 В.е.
- отношение B(E1;1−→2+)/B(E1;1−→0+): 2.11(13)