[논문 리뷰] Electromagnetic moments of scandium isotopes and $N=28$ isotones in the distinctive $0f_{7/2}$ orbit

Shiwei Bai, Á. Koszorús외 32명|Lirias (KU Leuven)|2022. 03. 17.

Nuclear physics research studies참고 문헌 59인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 스칸디움 이sov 및 N=28 이소토닌에서 전자기 모멘트의 고정밀 측정을 제시하며, 고립된 0f_{7/2} 오비탈을 중심으로 다룬다. 이는 셸 모델 및 백터-인티티 계산을 검증하며, 특히 N=28 근처에서 예측된 자화모멘트와 이완모멘트 간의 상당한 이질성을 드러내어, 개선된 핵 상호작용 및 다체 방법의 필요성을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CERN-ISOLDE에서 코일라린 레이저 분광법을 사용하여 49Sc의 전기 이중극 모멘트를 향상된 정밀도로 측정한다.
• 가장자리 뉴클론이 고립된 0f_{7/2} 오비탈에 있을 경우 핵에서의 뉴클론-뉴클론 M1 및 E2 상관관계에 대한 전자기 모멘트의 민감도를 조사한다.
• N=28 근처 칼슘 영역에서 전자기 모멘트를 기술하는 셸 모델 및 백터-인티티 다체 이론의 타당성을 시험한다.
• 효과적 상호작용 및 카이랄 두체 및 세체력에 기반한 예측과 실험 데이터를 비교하여 이론 모델의 기준을 설정한다.
• 이론과 실험 간의 격차를 정량화하여 향후 핵 상호작용 및 다체 방법의 개선을 이끌어내는 데 기여한다.

제안 방법

• CERN-ISOLDE에서 코일라린 레이저 분광법을 사용하여 초미세 구조와 이소토프 이동을 측정함으로써 자화모멘트 및 전기 이중극 모멘트를 추출한다.
• 0f_{7/2} 최외곽 오비탈에서의 fp 모델 공간에서 GXPF1A 상호작용을 사용하여 셸 모델 계산을 수행한다.
• 카이랄 두체 및 세체력에 기반한 백터-인티티 밸런스 스페이스 중간 유사성 재규격화 그룹(VS-IMSRG) 계산을 수행한다.
• 자화모멘트(μ) 및 이중극 모멘트(Q)에 대해 Z=21 이소토프 및 N=28 이소토닌에서 이론 예측과 실험 데이터를 비교한다.
• 효과적 전하 및 세대 수준 체계를 분석하여 E2 상관관계 및 코어 극화 효과의 역할을 평가한다.
• 특히 N=28 근처에서 이론과 실험 간의 체계적 이격을 정량화한다.

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 ] .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 49Sc 및 기타 47,49Sc 이소토프의 전자기 모멘트는 셸 모델 및 백터-인티티 계산에 의해 예측된 바와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 N=28 이소토닌의 실험적 이중극 모멘트는 독립 입자 셸 모델의 세대 수준 체계를 어느 정도 확인하는가?
• RQ3 왜 Z=21 이소토프의 자화모멘트는 현재 이론 모델에 의해 체계적으로 과소평가되는가, 특히 N=28 근처에서 그러한 경향이 강한가?
• RQ4 백터-인티티 VS-IMSRG 계산은 N=28 이소토닌 사슬을 따라 관측된 이중극 모멘트의 선형 경향을 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ5 이론과 실험 간의 격차는 현재 핵 상호작용에서 누락된 상관관계, 예를 들어 M1 및 E2 진동에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 49Sc의 전기 이중극 모멘트는 Q_s = -0.159(8) eb로 측정되었으며, 이는 정밀도 향상된 첫 번째 직접 측정이다.
• 47,49Sc의 자화모멘트는 거의 10배 향상된 정밀도로 측정되어 이론 모델의 민감한 시험을 가능하게 하였다.
• N=28 이소토닌을 따라 이중극 모멘트의 경향은 중성자 수에 따라 선형적으로 증가하며, 독립 입자 모델의 세대 수준 체계와 일치한다.
• 셸 모델 GXPF1A 상호작용은 N=28 근처에서 이중극 모멘트의 절대값을 과대평가하여, p_{3/2} 오비탈으로의 E2 상관관계가 과대평가됨을 시사한다.
• 백터-인티티 VS-IMSRG 계산은 Z=21 이소토프의 이중극 모멘트를 과소평가하여, N=20에서 28 사이의 중성자 셸이 열릴 때 E2 상관관계가 누락됨을 시사한다.
• Z=21 이소토픽 사슬을 따라 자화모멘트는 모든 이론 모델에 의해 현저히 과소평가되며, 이는 현재 상호작용에서 M1 강도가 과대평가되었거나 N=28 셸 갭이 너무 작게 평가되었음을 시사한다.

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