zagadka niskoenergetycznych stanów 0 w jądrach parzysto ...zfj · zagadka niskoenergetycznych...
TRANSCRIPT
Zagadka niskoenergetycznych stanów 0+
w jądrach parzysto-parzystych Waldemar Urban
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego współpraca: T. Rząca-Urban, J. Wiśniewski Uniwersytet Wrszawski G. Simpson, LPSC Grenoble I. Ahmad, Argonne National Laboratory A.G. Smith, Manchster University
(w ramach kolaboracji Eurogam II i Gammasphere)
Seminarium Srodowiskowe ZFJ - ŚLCJ - NCBJ 04.04.2019
1/20
Plan seminarium
1. Wstęp – historia i motywacja 2. Eksperymenty - techniki doświadczalne - nowe wyniki pomiarów
3. Interpretacja wyników
4. Wnioski i perspektywy
2/20
(N. Cook, „Models of the Atomic Nucleus”, 2-nd Ed., Springer 2010)
3/20
1911 - jądro atomowe, Rutherford 1929 - model kropli cieczy, G. Gamow ok. 1930, N. Bohr -> E. Rutherford: brak struktury jądra
1932 - odkrycie neutronu, J.Chadwick 1932 - jądro: protony + neutrony, W.Heinsenberg 1935 - mezonowa teoria sił jądrowych, H.Yukawa (wymiana proton-neutron) 1936 - model jądra złożonego, N. Bohr (droga swobodna ok. 3 fm) 1937 - model cząstek niezależnych, E.Wigner 1939 - model kroplowy, N.Bohr, J.Wheeler (rozszczepienie) 1949 - model powłokowy, M.Goeppert-Mayer, J. H. Jensen (opis kwantowy, oddz. spin-orbita, 2 jamy potencjału, droga swobodna > 20 fm ?) 1951 - zakaz Pauliego w jamie potencjału, V.Wiesskopf 1953 - model kolektywny jądra, A.Bohr, B.Mottelson, J.Rainwater („kwantyzacja modelu kroplowego”, deformacja, drgania β i γ) 1955 - model powłokowy w zdeformowanym potencjale, S.G. Nilsson, PhD ----------------------- koniec Złotego Wieku ------------------------
Prolog
Ostatnie 60 lat - dominacja modelu powłokowego Czego nie można opisać w znanych modelach ? Egzotyka vs. dokładność ? Deformacja i wzbudzenia kolektywne !
odkrycie - Chiefetz, et al., PRL 25, 38 (1970)
96Sr
g.s. 0+
3523.9 (9–)T =40(8)ns1/2
1229 0+
1506.4 2+
1975.2 4+
2466.2 6+
3125.5 8+
3886.5 (10+)
4725.0
814.8 2+
1792.3 4+
2150.9
2785.2 (6+)
3009.3
3328.1 (7+)
4329.8
4132.5
3604.2 (6+)
3850.8
4130.6
4443.6
4785.6
691.7
1160.4
673.8
1506.3
468.8
491.0
659.3
761.0
838.5
810.0
644.0
398.4
862.3
1335.0
805.9
542.8
804.3
1217.0
814.8
977.5
992.9
195.7
1812.0
1138.0
246.6
279.8
312.0
342.0
ν 9/2+[404]
02+ band
1. Wstęp zmiana kształtu w obszarze A ~100
β2 spherical
9/2[404]
0.4
0.1
0.2
0.3
0.1
0.4
0.3
0.2
50 6052 54 56 58 62 64
def.(DPM)
Sr
Zr
def.( decay)β
β
ν 9/2+[404] - g9/2 ‘extruder
ν 3/2-[541] - h11/2 ‘intruder’ 4/20
96Sr
g9/2 neutron ‘extruder’ WU, et al., Eur. Phys. J. A 22, 241 (2004) Kleinheinz et al. PRL 32, 68 (1977) A ~ 150, ν 11/2-[505] - h11/2 ‘extruder’
WU, et al., Nucl. Phys. A 689, 605 (2001)
+
( )
2
1
1+
+1
+2
1
+
++
exc
Exci
tatio
n En
ergy
− E
(2 )
(MeV
)+ 1
Neutron Number50 52 54 56 58 60
0
2
0
2V
2.0
1.0
0.0
−1.0
2.0
1.0
0.0
−1.00
2
0
Neutron Number52 54 56 58 60 62
01
b) Sr isotopesa) Ru isotopes
5/20
Ewolucja deformacji: Ru vs. Sr - Ru: V ~ 400 keV [W.U., R.F. Casten, et al., PRC 031304(R), (2013)] - Sr: V ~ 40 keV [H.T. Fortune, Nucl. Phys. A 957, 184 (2017)] - SOP w Ru ale nie w Sr - jaki mechanizm dla Sr ? - populacja νh11/ - gdzie jest νh11/2 w 95Sr , 97Zr ? [T.Rząca-Urban et al. PRC 98, 064315 (2018)
Mechanizm zmiany kształtu - przejście fazowe I-go czy II-go rzędu ?
dwa minima (przejście I rodz.) [Sheline, et al., Phys. Lett. B 41, 115 (1972)] wzbudzenia 2p-2h, πp ½ do πg 9/2 , [ K. Heyde, et al, Phys. Rep. 102, 291 (1983)] spin-orbit-partner (SOP) - przyciąganie νg 7/2 i πg9/2 w stanie podstawowym (przejście II rodz.) [F. Federman, S.Pittel, Phys. Lett. B 69, 385 (1977)]
populacja deformation-driving ν h11/2 [J. Skalski, et al Nucl. Phys. A 559, 221 (1993)] [T. Werner, J. Dobaczewski,M. Guidry,W. Nazarewicz, Nucl. Phys. A 559, 221 (1993)] ν 9/2[404] w jądrach parzysto-parzystych ? ν 9/2[404] między νd 5/2 a νg 7/2 ?
„avoided crossing”
2. Eksperymenty - techniki doświadczalne dokładne pomiary - precyzyjne detektory - zaawansowane techniki analizy - pomiary w pobliżu ścieżki stabilności systematyczne pomiary - pomiary w łańcuchach izo-tonów/-topów (systematyki)
6/20
Eurogam II [P.Nollan, et al. Ann.Rev.Nucl.Part. Sci. 44,561 (1994)] 130 det. (Ge, Clover, LEP) rozszczepienie 248Cm Exp. 1994, 2x1010 zdarzeń γγγ
Gammasphere [Y-Yang Lee, Nucl.Phys. A 520, c641 (1990)]
ok. 200 det. Ge rozszczepienie 252Cf Exp. 2000, 2x1011 zdarzeń γγγ
EXILL , ILL Grenoble FIPPS, ILL Grenoble układ 6 BE/LEP , JYFL
98Srg.s. 0+144.70 2+
434.10 4+
867.40 6+
1433.70 8+
2123.20 10+
(2927.7) (12+)
215.4 0+
1681.4 (4+)
2432.2 (6+)
871.3 (2+)
2818.3 (7+)
1539.11 (2+)
144.70
289.40
433.30
566.3
689.5
(804.5)
70.7
726.7871.0
1247.31537
1564.7
1998.2
655.8
810.4
751
385.9
1384.7
1950.8
668.1
1105.51323.9
1539.2
7/20
Eksperymenty - wyniki pomiarów Pasmo wibracyjne na drugim stanie 0+ w jądrze 98Sr60
- drugi stan 0+ w 98Sr to najniższy stan wzbudzony 0+ [F. Schussler, et al.,Nucl. Phys. A 339, 415 (1980)] - nowe poziomy i przejścia - pasmo wibracyjne - liczne rozpady do pasma stanu podstawowego ale słabe oddziaływanie z pasmem stanu podstawowego ?
- mieszanie z wieloma stanami (wątpliwa analiza oddz. 2 stanów)
100Zrg.s. 0+
212.67 2+
564.66 4+
1061.80 6+
1687.35 8+
2426.4 10+
3268.1 (12+)
331.32 0+
878.85 2+
1414.90 4+
1961.85 6+
2579.50 (8+)
3289.0 (10+)
2130.6 5(+)
2526.1 7(+)
3019.6 9(+)
3635.4 (11+)
1196 (2+)
212.67
351.99
497.36
625.55
739.0
841.7
118.
65
878.8666.23
1202.2
850.24
900.00
892.15
862.8
547.5
536.05
547.00
617.65
709.5
1566.05
715.51464.25
564.21332.15
440.15
1209.1
395.6
493.55
615.8
741.6
1196984865
632318
8/20
Pasmo wibracyjne na drugim stanie 0+ w jądrze 100Zr
- drugi stan 0+ w 100Zr [F. Khan, et al., Z. Phys. A 283 ,105 (1977)]
- nowe lub zmienione poziomy, przejścia lub spiny i parzystości - pasmo wibracyjne - liczne rozpady do pasma stanu podstawowego ale słabe oddziaływanie z pasmem stanu podstawowego ? - mieszanie z innymi pasmami i stanami (wątpliwa analiza oddz. 2 stanów)
50
1+0
48 46 44 42 40 38 36Proton Number
( )
( )
N=54N=58N=60
2+ +
30 and 0 excitations in selected isotones:
3.0
0.0
1.0
2.0
Exci
tatio
n E
nerg
y (M
eV)
9/20
Systematyka wybranych stanów 0+ w jądrach z obszaru A~100 w funkcji liczby protonów
Interpretacja stanów wzbudzonych 0+
- zależność typu EII-EI w oddz. dwóch stanów lub energii wzbudzenia „intrudera” 2p-2h [K.Heyde, J.L. Wood, Rev. Mod. Phys. 83, 1467 (2001)] - zależność dla N=58 taka sama jak dla N=54
- dla N=60 stany 0+ 98Sr i 100Zr poza systematyką ! Tu pasują trzecie stany 0+
- inne wyjątki
[dane z prac własnych i bazy nndc.bnl.gov ]
60 62585652 54Neutron Number
64 66
10 +
( )
( )
0 and 0 excitations in selected isotopes: 2+
3+
0.0
1.0
2.0
3.0
Exci
tatio
n E
nerg
y (M
eV)
RuMoZrSr
expected
10/20
Systematyka wybranych stanów 0+ w jądrach z obszaru A~100 w funkcji liczby neutronów
- zależność : energia stanów 0+ maleje ze wzrostem liczby neutronów - zależność podobna dla izotopów Sr, Zr, Mo oraz Ru :
obsadzane kolejne powłoki d5/2, g7/2 oraz h11/2 (?)
- stany 0+ 98Sr i 100Zr poza systematyką ! Tu inna zależność (zielone linie)
- inne wyjątki
[dane z prac własnych i bazy nndc.bnl.gov ]
( )
( )
( )
50 48 46 44 42 40 38 36Proton Number
( )
0 1+
3.0
2.0
1.0
0.0
N=54N=56
N=52
N=58N=60N=62N=64N=66expected
0 excitations in the A~100 region +
Exci
tatio
n E
nerg
y (M
eV)
11/20
Systematyka stanów 0+ w jądrach z obszaru A~100 (63 stany: wszystkie stany 02
+, większość stanów 03+)
[dane z prac własnych i bazy nndc.bnl.gov ]
- zależność typu EII-EI dla wzbudzenia 2p-2h neutronu z d5/2 do g7/2 oddziałującego z a) protonami g9/2 (czarne krzywe przerywane) b) z dziurami protonowymi g9/2 (czerwone krzywe) - zależność „płaska” dla izotonów N> 60 (czarne ciągłe linie)
- stany 0+ 98Sr i 100Zr poza systematyką ! (zielone punkty)
- inne wyjątki
−0.2 0.0 0.2 β
N ~ 60
11/2
[505
]
9/2g
3/2 [541]
9/2[4
04]h 11/2
b)
oblate02
prolate1+0
+
52 60 64
0.1
0.2
0.4
56
0.3
β2a)spherical
deformedRu
SrZr
Neutron Number
01+
0+1
12/20
Interpretacja stanów 0+ i deformacji w obszarze A~100
- dla większości punktów wzbudzenia 2p-2h neutronu z d5/2 do g7/2 oddziałującego z protonami g9/2 (czarne „parabole”) lub z dziurami g9/2 (czerwone „parabole”) SOP dla stanów wzbudzonych 0+. „Avoided crossing” ze stanami podstawowymi.
- drugi stan 0+ w 98Sr i 100Zr (zielone punkty) - wzbudzenia 2p-2h pary z extrudera ν9/[404] do intrudera 11/2[505], kształt oblate, mała deformcja (Rys. b)
- stan podstawowy 0+ w 98Sr i 100Zr - wzbudzenia 2p-2h pary z extrudera ν9/[404] do intrudera 3/2[541] , kształt prolate, duża deformcja
- dla N~59 gdzie 9/2[404] zbliża się do poziomu Fermiego, efekt„extrudera” (Rys.b) nakłada się na efekt „paraboli” (Ru na Rys.a) powodując lokalny wzrost deformacji
6056 58 62 64 66
0+1
( )
202
+3+
4+4( )
0 bands:2+
RuMo
Neutron Number
1.0
0.0
2.0
Exci
tatio
n En
ergy
(M
eV)
13/20
Wzbudzenia kolektywne typu β
- zależność „płaska” dla izotonów N> 60 (czarne ciągłe linie w systematyce) - nie 2p-2h ? - wibracje K=0 ? - w 110Ru regularne pasmo rotacyjne na drugim 0+
rozpadajace się głównie do pierwszego stanu 2+ możliwe pasmo β
(rzadki rodzaj wzbudzenia [P.E. Garrett, J. Phys. G Nucl.Part.Phys. 27, R1 (2001)])
110Ru !
102Zr0.0 0+151.90 2+
478.40 4+
964.85 6+
1595.35 8+
2351.80 10+
3212.20 (12+)
1369.4 (3+)
1661.9 5+
2093.4 7+
2664.0 (9+)
3369.4 (11+)
1287.7 (2+)
1538.10 (4+)
1931.8 (6+)
2465.2 (8+)
3133.0 (10+)
1242.20 3+
1652.85 5+
2184.6 (7+)
2825.6 (9+)
1036.4 2+
1386.50 4+
1829.35 (6+)
2374.70 (8+)
3033.3 (10+)
151.90
326.50
486.45
630.50
756.45
860.4
1217.4
891.1
1183.5
697.05
498.10
292.6
431.40
570.6
705.4
1135.8
1059.70
966.90
869.80
393.8
533.45
667.8
410.7
531.7
641.0
763.80
1090.20
1174.40
1219.8
1230.2
884.31036.5
908.10
864.45
1409.9
350.3
442.90
545.3
658.6
14/20
pasma K=2 w jądrze 102Zr nowy efekt
Wzbudzenia kolektywne typu γ
pasmo trójosiowe pasmo γ
- dwa kolektywne pasma K=2 w jednym jądrze - pojawiająca się w izotopach Zr kolektywność γ wyjaśnia problem „maksymalnej” kolektywności γ w Mo
Channel Number
410.7
keV
431.4
5 keV
, B
a14
4
Gate 151.90−1090.20−keV
1000
2000
Cou
nts
640 680 720
Channel Number
144
331.1
keV,
B
a Gate 151.90−884.3−keV
350.3
keV
0
600
1200
Cou
nts
540 580 620
Channel Number
151.9
0
262.6
159.8 32
6.50
393.8
194.0
228.0
199.3
*
283.2
431.4
0 +
*
Gate (151.90+326.50)−1059.70−keV 144
# Ba143* Ba
& Ba142
343.4
#35
9.6 &
331.1
*
0
1000
2000
Cou
nts
300 500 700
Channel Number
Gate (151.90+326.50)−891.1−keV
292.6 326.6
151.9
0
* Ba144
199.3
* 431.4
+ *
331.1
*
Cou
nts
600
1200
0 300 500 700
a)
b)
c)
d)
15/20
5+ 6+
5+ (3+)
K. Li, et al.,
ωh (keV)
i( h
)
0
6
3
6003000
h (keV)ω0 200 400 600
0
4
8
12
16
20
xI (
h )
6
4
2
0
( h )i
Zr102 a)
b)
16/20
[dane wysoko-spinowe z pracy H.Hua, D.Cline, et al., PRC 69, 014317 ( 2004) - rozszczepienie U238 indukowane cząstkami alfa na cienkiej tarczy. Spiny i parzystości skorygowane w obecnej pracy.]
Pasmo K=0, g.s. - alignment początkowy zero, powolny, duży alignment przy wysokich częstościach : uszeregowanie neutronów h11/2
Pasmo K=2 „czerwone” -alignment początkowy zero, szybki alignment, i=4 h, przy niskich częstościach : uszeregowanie fononu kwadrupolowego
Pasmo K=2 „zielone” -alignment początkowy mały, powolny alignment, „sztywna rotacja” : pasmo trójosiowe z domieszką 2q.p.
„Aligned spin” i „ alignment” w pasmach jądra 102Zr
−1.0
−2.0
1.0
2.0
0.0
3.0
4 5 6 7 98 10 11 15141312
triaxial band gamma band
S (I
)
Spin, I
Zr102b)
0.0
4 5 6 7 98 10 11 15141312−4.0
−2.0
2.0
4.0
proto−triaxial proto−gamma
Spin, I
S (I
)
100 Zra)
17/20
„Staggering” w pasmach K=2 jądra 102Zr
Staggering , S(I) [E. McCutchan, et al. PRC 76, 024306 (2007)] S(I) = [E(I)-E(I-1)] -[E(I-1)-E(E-2)] normowany do Eexc(2+) W jądrze 102Zr - pasmo K=2 „czerwone” - staggering charakterystyczny dla pasma typu γ - pasmo K=2 „zielone” - staggering charakterystyczny dla pasma trójosiowego ale mieszanie konfiguracji γ, trójosiowych i 2 q.p. K. Nomura,et al., PRL 108, 132501 (2012)
Model powłokowy i kolektywność γ w obszarze A~90 - kolektywność w izotonach N=53 j-1 anomaly T. Rząca-Urban, K. Sieja, WU, et al., Phys. Rev. C 88, 034302 (2013) M.Czerwiński, T.Rzaca-Urban,WU et al., Phys. Rev. C 92, 014328(2015) - kolektywność γ dla 28 < Z < 50 T. Materna, WU, K. Sieja, et al., Phys. Rev. C 92, 034305 (2015)
T. Rząca-Urban, K. Sieja, WU, et al., Phys. Rev. C 95, 064302 (2017)
- kolektywność z obliczeń LS-SM B(E2) up to 30 W.u. (β2 ~ 0.2) K. Sieja , et al., PRC 88, 034327 (2013)
+
+5/2
3/2
9/2 +
12 (N=52)+
2 (N=52)+1
0.0
0.5
1.0
πE
(j )
− E
(5/2
)
[MeV
]ex
cex
c
+
Se Sr Zr Mo Ru Ge85 87 89 Kr 91 93 95 97
( )
( )( )
3.0
2.0
1.0Exci
tatio
n En
ergy
(MeV
)43
2
22
N = 52 a)
Ge Se Kr Sr Zr Mo Ru
3+
j-1 anomaly
18/20
Izotony N=53
Izotony N=52 pasmo γ
Model powłokowy vs. zdeformowany potencjał (model Nilssona) MC-SM - nowy opis zmiany kształtu w izotopach Zr [T.Togashi,Y.Tsunoda,T.Otsuka, and N.Shimizu, Phys. Rev. Lett. 117, 172502 (2016)] - type-II shell evolution („self-reinforcing effect”) - duże obsadzenie powłoki πg 9/2 - II order (quantum) phase transition - B(E2) od 5 W.u. (N=58) do 100 W.u. (N=60) - orbital ν g 9/2 nieobecny (5 MeV poniżej poziomu Fermiego) jak przybliżyć orbital ν9/2[404] do poziomu Fermiego ?
19/20
Wnioski i perspektywyWnioski Przedstawiono nowe dane nt. stanów 0+ w jądrach z obszaru mas A~100 oraz nowe interpretacje takich stanów jako wzbudzeń wielocząstkowych. Przedstawiono także nowe dane nt. kolektywności γ w jądrach Zr oraz β w Ru. Te i inne ostatnie wyniki wskazują, że wzbudzenia γ są powszechne oraz, że wzbudzeń typu β nie można wykluczyć. Oba modele, kroplowy i powłokowy, choć oparte na krańcowo różnych założeniach, są istotne przy opisie własności jąder. Program dalszych badań - weryfikacja systematyki stanów 0+
- przewidywane nowe stany 0+
- własności stanów 0+ na tej samej paraboli (reakcje transferu) - spektroskopia orbitala ν9/2+[404] - analogiczne badania w obszarze A~150 (orbital ν11/2-[505])
20/20