Dogodna lokalizacja rezonansu w 11B w pobliżu progu emisji protonu

2

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 12C, 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 stanachkontinuum. 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 Jπ = 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 Jπ = 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 Jπ = 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 12C, 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].

Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie zajmuje się strukturą materii i własnościami oddziaływań fundamentalnych od skali kosmicznej po wnętrza cząstek elementarnych. Wyniki badań – obejmujących fizykę i astrofizykę cząstek, fizykę jądrową i oddziaływań silnych, fazy skondensowanej materii, fizykę medyczną, inżynierię nanomateriałów, geofizykę, biologię radiacyjną i środowiskową, radiochemię, dozymetrię oraz fizykę i ochronę środowiska – są każdego roku przedstawiane w ponad 600 artykułach publikowanych w recenzowanych wysoko punktowanych czasopismach naukowych. Częścią Instytutu jest nowoczesne Centrum Cyklotronowe Bronowice, unikalny w skali europejskiej ośrodek obok badań naukowych zajmujący się terapią protonową nowotworów. IFJ PAN jest członkiem Krakowskiego Konsorcjum Naukowego „Materia-Energia- Przyszłość” o statusie Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego (KNOW) na lata 2012-2017. Instytut zatrudnia ponad pół tysiąca pracowników. W 2017 roku Komisja Europejska przyznała IFJ PAN prestiżowe wyróżnienie „HR Excellence in Research” jako instytucji stosującej zasady „Europejskiej Karty Naukowca” i „Kodeksu Postępowania przy rekrutacji pracowników naukowych”. W kategoryzacji MNiSW Instytut został zaliczony do kategorii naukowej A+ w grupie nauk ścisłych i inżynierskich.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

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

POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ifj.edu.pl/ Strona Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
http://press.ifj.edu.pl/ Serwis prasowy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN

2 komentarze

  1. Ja googlowałem i czerpałem przyjemność z próby zrozumienia tego zagadnienia. Dobre artykuły naukowe powinny zmuszać do myślenia.

  2. Ciekawy artykuł… O ile jesteś po Fizyce Jądrowej. Jeśli nie po jądrowej to jeszcze słowa takie jak przekrój czynny, rezonanse, model powłokowy coś powiedzą. Dla reszty czytających warto by było przepisać jeszcze raz aby wytłumaczyć co się (w kosmosie i ew. na Ziemi) wiąże z wymienionymi w artykule zjawiskami…