[論文レビュー] Electromagnetic moments of scandium isotopes and $N=28$ isotones in the distinctive $0f_{7/2}$ orbit

Shiwei Bai, Á. Koszorús+32 more|Lirias (KU Leuven)|Mar 17, 2022

Nuclear physics research studies参考文献 59被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、スカンジウム同位体およびN=28同中性子核において、分離された0f_{7/2}軌道に注目し、高精度な共線レーザー分光測定を実施した。これにより、殻模型計算とab initio計算の妥当性がベンチマークされ、特にN=28近傍で予測された磁気双極モーメントおよび四極モーメントに顕著な乖離が明らかになった。これは、核相互作用および多体手法の改良が急務であることを示唆している。

ABSTRACT

The electric quadrupole moment of $^{49}$Sc was measured by collinear laser spectroscopy at CERN-ISOLDE to be $Q_{\ m s}=-0.159(8)$ $e$b, and a nearly tenfold improvement in precision was reached for the electromagnetic moments of $^{47,49}$Sc. The single-particle behavior and nucleon-nucleon correlations are investigated with the electromagnetic moments of $Z=21$ isotopes and $N=28$ isotones as valence neutrons and protons fill the distinctive $0f_{7/2}$ orbit, respectively, located between magic numbers, 20 and 28. The experimental data are interpreted with shell-model calculations using an effective interaction, and ab-initio valence-space in-medium similarity renormalization group calculations based on chiral interactions. These results highlight the sensitivity of nuclear electromagnetic moments to different types of nucleon-nucleon correlations, and establish an important benchmark for further developments of theoretical calculations.

研究の動機と目的

• CERN-ISOLDEで共線レーザー分光法を用いて、49Scの電気四極モーメントをより高い精度で測定すること。
• 価電子が分離された0f_{7/2}軌道にある核における核子間M1およびE2相関の電磁モーメントへの感受性を調査すること。
• N=28近傍のカルシウム領域における電磁モーメントを記述するための殻模型およびab initio多体理論の妥当性を検証すること。
• 有効相互作用およびき裂性の2体および3体力に基づく理論予測と実験データを比較することで、理論モデルのベンチマークを確立すること。
• 理論と実験の乖離を定量化し、今後の核相互作用および多体手法の開発を導くこと。

提案手法

• ハイパーファイン構造および同位体シフトの測定に共線レーザー分光法を用い、磁気双極モーメントおよび電気四極モーメントの抽出を実施した。
• 0f_{7/2}価電子軌道におけるfp模型空間で、GXPF1A相互作用を用いた殻模型計算を実施した。
• き裂性2体および3体核子相互作用を用いて、バリオン空間における中間状態の類似性再規格化群（VS-IMSRG）のab initio計算を実施した。
• Z=21同位体およびN=28同中性子核における磁気モーメント（μ）および四極モーメント（Q）について、理論的予測と実験データを比較した。
• 有効電荷およびシニアティー則の分析により、E2相関およびコア極化効果の役割を評価した。
• 理論と実験との間の系統的乖離を、特にN=28近傍の磁気モーメントの傾向および絶対値について定量化した。

Figure 1: Hfs spectra of 49 Sc measured with the COLLAPS and CRIS methods on respectively ionic and atomic Sc beam. Data are fitted with a Voigt line profile using SATLAS [ 32 ] .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 49Scおよび他の47,49Sc同位体の電磁モーメントは、殻模型およびab initio計算の予測とどのように比較されるか？
• RQ2 N=28同中性子核の実験的四極モーメントは、独立粒子殻模型のシニアティー則をどの程度確認するか？
• RQ3 なぜZ=21同位体の磁気モーメントは、現在の理論モデルによって系統的に過小評価されるのか、特にN=28近傍で顕著である。
• RQ4 ab initio VS-IMSRG計算は、N=28同中性子核鎖に沿う四極モーメントの観測された線形傾向をどの程度正確に再現するか？
• RQ5 理論と実験の乖離は、現在の核相互作用に欠落している相関、例えばM1およびE2励起を示唆するか？

主な発見

• 49Scの電気四極モーメントは、Q_s = -0.159(8) ebとして測定され、より高い精度での初めての直接測定であった。
• 47,49Scの磁気モーメントは、ほぼ10倍の精度向上を達成し、理論モデルの感受性テストに有効に利用可能となった。
• N=28同中性子核に沿う四極モーメントの傾向は、中性子数に従い線形に増加しており、独立粒子模型のシニアティー則と整合的であった。
• SM GXPF1A相互作用は、N=28近傍で四極モーメントの絶対値を過大評価しており、p_{3/2}軌道へのE2相関が過大評価されていることを示唆している。
• ab initio VS-IMSRG計算は、Z=21同位体の四極モーメントを過小評価しており、N=20から28の殻が開く際のE2相関が欠落している可能性を示唆している。
• Z=21同位体系列に沿う磁気モーメントは、すべての理論モデルによって顕著に過小評価されており、現在の相互作用ではM1強度が過大評価されたり、N=28殻ギャップが小さすぎる傾向にあることが示唆された。

Figure 2: (a) Magnetic and (b) quadrupole moments of 41-49 Sc compared to SM GXPF1A calculations [ 41 ] using the effective $g$ -factor ( $g_{s}^{\rm eff}=0.9g_{s}^{\rm free}$ ) and effective charges ( $e_{\rm\pi}=1.5e$ , $e_{\rm\nu}=0.5e$ ) and to VS-IMSRG calculations (using free $g$ -factors and