Dogodna lokalizacja rezonansu w ¹¹B w pobliżu progu emisji protonu

28 maja 2020

EurekAlert!: [https://eurekalert.org/pub_releases/2020-05/thni-clo052820.php]

Emisja protonu opóźniona rozpadem ß^– w ¹¹Be. Stan podstawowy ¹¹Be z halo neutronowym ulega rozpadowi beta do stanu wzbudzonego ¹⁰B, który znajduje się tuż powyżej progu rozpadu protonu. Stan ten następnie rozpada się do stanu ¹⁰Be poprzez emisję protonu. (Źródło: IFJ PAN)

Polscy naukowcy pracujący w Polsce, Francji i Stanach Zjednoczonych przedstawili wyjaśnienie zagadkowego zjawiska emisji protonu opóźnionej rozpadem ß^– ze słabo związanego stanu podstawowego jądra ¹¹Be z halo neutronowym. Badania w ramach modelu powłokowego zanurzonego w kontinuum sugerują istnienie kolektywnego rezonansu posiadającego wiele cech pobliskiego kanału emisji protonu, który wyjaśnia ten egzotyczny rozpad. Wykazano, że taki kolektywny rezonans jest powszechnym zjawiskiem w każdym otwartym układzie kwantowym, w którym występuje silne mieszanie stanów związanych i niezwiązanych.

Klasteryzacja jądrowa jest jednym z najbardziej tajemniczych zjawisk w fizyce subatomowej. Do licznych przykładów takich struktur należy stan podstawowy jądra ¹¹Li z halo dwóch neutronów i słynny rezonans Hoyle'a w ¹²Ci, który odgrywa kluczową rolę w syntezie cięższych pierwiastków w gwiazdach. Wąskie rezonanse w pobliżu progu są bardzo ważne w warunkach astrofizycznych, w których większość reakcji zachodzi przy bardzo niskich energiach. W przypadku takich stanów kanały emisji cząstek mogą skutecznie konkurować z innymi rodzajami rozpadów, takimi jak rozpad przez emisję kwantów γ. Powszechność występowania wąskich rezonansów w pobliżu progu emisji cząstek sugeruje, że jest to ogólne zjawisko w każdym otwartym układzie kwantowym, w którym związane i niezwiązane stany silnie się mieszają, co skutkuje pojawianiem się kolektywnego stanu o cechach pobliskiego kanału rozpadu.

W niedawno opublikowanej pracy („Physical Review Letters” 124, 042504 (2020)) polscy fizycy z IFJ PAN w Krakowie, GANIL w Caen i FRIB w East Lansing przedstawili wyjaśnienie emisji protonu opóźnionej rozpadem ß^– ze słabo związanego stanu podstawowego jądra ¹¹Be. W pierwszym etapie tego zagadkowego, dwustopniowego procesu, neutron w stanie podstawowym jądra ¹¹Be o strukturze halo rozpada się na elektron, antyneutrino i proton, powodując transformacje stanu podstawowego w ¹¹Be do rezonansu w ¹¹B. W drugim etapie następuje emisja protonu z tego rezonansu (patrz załączony diagram) do stanu ¹⁰Be. Możliwość takiego procesu rozpadu stanu halo w ¹¹Be została wyjaśniona istnieniem rezonansu w ¹¹B o całkowitym momencie pędu i parzystości 1/2⁺, który posiada wiele cech pobliskiego kanału z emisją protonu. Bliskość progów emisji protonu i trytu w ¹¹B sugeruje, że rezonans ten może również zawierać domieszkę konfiguracji klastrowej.

Badania przeprowadzono w ramach modelu powłokowego zanurzonego w kontinuum (SMEC). Miarą kolektywizacji stanów w pobliżu progu na emisję cząstki (nukleon, deuteron, cząstka α itp.) jest energia korelacji, którą wylicza się dla każdego stanu własnego modelu SMEC. Energię wzbudzenia, przy której kolektywizacja jest maksymalna, określają konkurujące efekty: sprzężenia do kanałów rozpadu oraz bariery kulombowskiej i odśrodkowej. Dla wyższych wartości momentu pędu (L>1) w sprzężeniu stanu modelu powłokowego do kanału rozpadu i/lub dla sprzężenia do kanału z emisją cząstki naładowanej, ekstremum energii korelacji znajduje się powyżej energii progu tego kanału – wyjaśnia prof. Jacek Okołowicz z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.

W najnowszych pracach doświadczalnych grupy Y. Arrada zaobserwowano emisję protonu w ¹¹B ze stanu o całkowitym momencie pędu 1/2⁺ lub 3/2⁺, energii 11,425(20) MeV i szerokości 12(5) keV, który jest populowany w rozpadzie ß^– stanu podstawowego ¹¹Be. Rezonans w ¹¹B, proponowany w tym eksperymencie, leży 197(20) keV powyżej progu na emisję protonu i 29(20) keV poniżej progu na emisję neutronu.

W badaniach teoretycznych z użyciem modelu SMEC uwzględniono efektywne oddziaływanie nukleon-nukleon w stanach dyskretnych modelu powłokowego, oraz oddziaływanie Wignera-Bartletta opisujące sprzężenie między nukleonami w dyskretnych stanach związanych i w stanach kontinuum. Obliczenia przeprowadzono dla stanów J^π = 1/2⁺ i 3/2⁺ w ¹¹B, próbując określić najbardziej prawdopodobny moment pędu proponowanego rezonansu. Stany modelu powłokowego są mieszane przez sprzężenie z protonowym i neutronowym kanałem reakcji. Kolektywizację funkcji falowej stwierdzono tylko dla wzbudzonego, trzeciego w kolejności stanu 1/2⁺, dla którego maksymalna energia korelacji występuje 142 keV powyżej progu na emisję protonu. Stąd wywnioskowano, że rezonans w ¹¹B, pośredniczący w rozpadzie stanu podstawowego ¹¹Be do ¹⁰Be, musi mieć całkowity moment pędu i parzystość J^π = 1/2⁺.

Wąski rezonans 5/2⁺ przy energii 11,600(20) MeV, który leży nieco powyżej progu na emisję neutronu i rozpada się przez emisję neutronu lub cząstki α, ma istotny wpływ na wartość przekroju czynnego na wychwyt neutronu przez jądro ¹⁰B. Olbrzymia wielkość tego przekroju czynnego sugeruje, że funkcja falowa rezonansu 5/2⁺ jest silnie zmodyfikowana przez sprzężenie do pobliskiego kanału emisji neutronu. Rzeczywiście, w obliczeniach modelu SMEC występuje szósty z kolei stan 5/2⁺ w pobliżu progu na emisję neutronu, który sprzęga się silnie w fali parcjalnej L=2 do kanału [¹⁰B(3⁺) + n]^5/2+. Wyznaczona teoretycznie kolektywizacja dla tego stanu jest maksymalnie 113 keV powyżej progu na emisję neutronu, blisko eksperymentalnej energii stanu 5/2⁺.

Badaliśmy zagadkowy przypadek rozpadu β^-p⁺ jądra ¹¹Be z halo neutronowym. Analiza w modelu powłokowym zanurzonym w kontinuum potwierdza istnienie kolektywnego rezonansu w ¹¹B w pobliżu progu na emisję protonu i faworyzuje przypisanie mu liczb kwantowych J^π = 1/2⁺. Funkcja falowa tego rezonansu upodabnia się do pobliskiego kanału emisji protonu. Oznacza to, że rozpad β^- w tym procesie można interpretować jako quasi-swobodny rozpad neutronu z halo ¹¹Be do rezonansu w ¹¹B, w którym pojedynczy proton jest sprzężony z rdzeniem ¹⁰Be. Upodobnienie rezonansu J^π = 1/2⁺ do kanału [¹⁰Be + p] wyjaśnia również duży współczynnik spektroskopowy dla rozpadu protonu i bardzo małą szerokość parcjalną rozpadu α tego stanu. Natomiast własności pobliskiego stanu J^π = 3/2⁺, który głównie rozpada się przez emisję cząstki α, mogą być wyjaśnione przez czwarty stan 3/2⁺ modelu powłokowego zanurzonego w kontinuum. Stan ten bardzo słabo sprzęga się z kanałami emisji jednego neutronu bądź jednego protonu. Powyżej progu na emisję neutronu [¹⁰B + n] znajduje się rezonans 5/2⁺, który jest kluczowy dla wychwytu neutronów w ¹⁰B. Funkcja falowa stanu szóstego 5/2⁺ modelu powłokowego zanurzonego w kontinuum wykazuje w pobliżu progu emisji neutronu bardzo silną kolektywizację, która jest wytłumaczeniem olbrzymiego obserwowanego przekroju czynnego na wychwyt neutronu przez ¹⁰B – mówi prof. Okołowicz.

Powodem pojawienia się kolektywnego protonowego (neutronowego) rezonansu wokół progu emisji protonu (neutronu) jest sprzężenie L=0 (L=2) z przestrzenią protonowych (neutronowych) stanów rozproszeniowych. Pod tym względem, przypadek ¹¹B podąża za innymi przykładami stanów progowych w ¹²Ci, ¹¹Li, czy ¹⁵F. W przyszłości konieczne będą badania eksperymentalne reakcji ¹⁰Be(p,p)¹⁰Be, by zrozumieć naturę rezonansu protonowego przy energii 11,425 MeV. Dla lepszego poznania natury neutronowego kanału reakcji i sąsiednich rezonansów neutronowych niezbędne będą badania reakcji ¹⁰B(d, p)¹¹Be. Ponadto, pogłębionej analizy eksperymentalnej i teoretycznej będzie wymagało określenie współczynnika rozgałęzienia dla kanału β^-p⁺, gdyż obecnie sugerowana wartość eksperymentalna jest o czynnik 2 większa od przewidywań modelu powłokowego zanurzonego w kontinuum. Przyszłe badania teoretyczne powinny również wyjaśnić wpływ L=0 wirtualnego stanu neutronu na kanał reakcji [¹⁰B + n].

[PDF]

Kontakt:

dr hab. Jacek Okołowicz
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8493
email: jacek.okolowicz@ifj.edu.pl

Publikacje naukowe:

„Convenient Location of a Near-Threshold Proton-Emitting Resonance in ¹¹B”
Jacek Okołowicz, Marek Płoszajczak i Witold Nazarewicz;
Physical Review Letters 124, 042504 (2020);
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.042502

Materiały graficzne:

Emisja protonu opóźniona rozpadem ß^– w ¹¹Be. Stan podstawowy ¹¹Be z halo neutronowym ulega rozpadowi beta do stanu wzbudzonego ¹⁰B, który znajduje się tuż powyżej progu rozpadu protonu. Stan ten następnie rozpada się do stanu ¹⁰Be poprzez emisję protonu. (Źródło: IFJ PAN)