[논문 리뷰] Probing the two-quasiparticle $K^π=8^+$ isomeric structure and enhanced stability in the proton drip-line nuclei

Zhen-Zhen Zhang, Hua-Lei Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 14.

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한 줄 요약

본 논문은 구성-제약된 포텐셜에너지 표면(PES) 계산을 사용하여 160Os 84에서 양성자 침전선 근처의 두 준입자 Kπ=8⁺ 아이소머를 연구하고, 그 구조에서 스핀-오비 결합과 변형의 역할 및 가능한 안정성 반전을 분석한다.

ABSTRACT

Stimulated by recent experimental discoveries [{Phys. Lett. B extbf{847}, 138310 (2023)} and {Phys. Rev. Lett. extbf{132}, 072502 (2024)}], two-quasiparticle $K^π=8^+$ isomeric structure (related to the neutron $h_{9/2}$ and $f_{7/2}$ orbitals) in $^{160}_{76}$Os$_{84}$ that lies at the two-proton drip line has been studied by means of the configuration-constrained potential-energy-surface calculations. Calculated results indicate that, for such an isomer, the excitation energy can be well reproduced and its oblate shape can be enhanced by the polarization effects of the two high-$K$ orbits. Comparing with experimental data, two sets of the widely used Woods-Saxon parameters, especially, the spin-orbit coupling one, are evaluated and argued. It is found that, considering the uncertainty of the spin-orbit coupling strength, the energy crossing or inversion of the $h_{9/2}$ and $f_{7/2}$ neutrons can occur, which may lead to three kinds of different evolution-trends of two-quasiparticle excitation energies with the changing quadrupole deformation $β_2$. With decreasing spin-orbit coupling interaction, the structure of the $K^π=8^+$ isomeric state will evolute from $νh_{9/2}f_{7/2}$ ($ν9/2^-[505] \otimes 7/2^-[503]$) to the mixing of $νh_{9/2}f_{7/2}$ and $νh_{9/2}^2$ ($ν9/2^-[505] \otimes 7/2^-[514]$) to $νh_{9/2}^2$, indicating that its structural probes is still of interest and an arbitrary assignment may be risky. The related theoretical calculations and experimental evidences e.g., the transition properties, are desirable. In addition, similar to that in superheavy nuclei, it is suggested that the stability inversion between high-$K$ isomeric states and ground states might occur in this proton drip-line mass region, e.g., in the hitherto unknown nucleus $^{162}_{78}$Pt$_{84}$.

연구 동기 및 목표

• 고-K 중성자 궤도에 의해 주도되는 160Os 84의 두 준입자 Kπ=8⁺ 아이소머의 고유 구조와 그 편평 변형을 조사한다.
• 스핀-오비 결합 강도가 νh9/2와 νf7/2 중성자 궤도의 상대 순서 및 아이소머 구성에 어떻게 영향을 미치는지 평가한다.
• 양성자 침전선 N=84 동족핵에서 아이소머 대 기저상태의 강화된 안정성 및 안정성 반전 가능성을 평가한다(예: 162Pt 84).
• 이 지역의 질량 영역에서 Woods-Saxon 평균장 매개변수화(StkI 및 universal)를 검증하고 단일입자 준위 및 아이소머 특성에 미치는 영향을 평가한다.
• 예상된 구조를 검증하기 위한 가능한 실험 관측값(예: 전이 특성)을 탐색한다.]
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제안 방법

• 다차원 변형 공간(β2, γ, β4)에서의 구성-제약 포텐셜에너지 면(PES) 계산.
• 거대-미시 에너지에 변형된 Woods-Saxon 평균장을 갖는 다층-환경 모형 및 Strutinsky 셸 보정.
• Monopole 페어링을 포함한 Lipkin-Nagami 페어링과 다준입자 상태에 대한 구성-제약 차단.
• 변형에 걸쳐 지정된 준입자 궤도를 따라가는 Diabatic 차단; 변형과 구성 성분으로 에너지 분해.
• 146Gd 및 132Sn의 알려진 단일입자 분리와 비교하여 스핀-오비 결합 강도 불확실성을 평가하고 λ 값을 선택(예: StkI 매개집합).
• 계산된 여기 에너지와 변형을 실험 데이터(예: 8⁺ 아이소머의 E_ex) 및 이전 이론과 비교합니다.

Figure 1: Comparison between the available experimental data and the calculated single-particle energies in 146 Gd. Note that theoretical single-particle levels are solved by using the Woods-Saxon Hamiltonian with uni. and StkI model parameters, .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 νh9/2–νf7/2 중성자 구성이 160Os의 Kπ=8⁺ 아이소머에 어떻게 기여하는가(양성자 침전선에서)?
• RQ2 아이소머의 여기 에너지와 변형이 스핀-오비 상호작용의 강도에 얼마나 민감한가?
• RQ3 이 질량 영역에서 고-K 오블레 아이소머가 기저 상태에 비해 강화된 안정성이나 반전을 보일 수 있는가?
• RQ4 Woods-Saxon 매개변수화(StkI vs universal)가 이 핵에서 페르미 표면 근처의 단일입자 궤를 정확히 재현하는가?
• RQ5 예상된 아이소머 구조를 검증할 실험적 관측값(예: 전이 속도/전이율)은 무엇인가?

주요 결과

• 160Os의 8⁺ 아이소머의 여기 에너지는 약 1.84–1.89 MeV이며, 고-K 궤도들의 편향에 의해 강화된 oblate 변형(gamma ≈ 60°)을 가진다.
• 스핀-오비 결합 강도는 νh9/2와 νf7/2 중성자의 상대 순서에 결정적으로 영향을 미쳐 궤도 교차나 반전을 일으켜 아이소머 구성에 변화를 가져올 수 있다.
• 두 개의 Woods-Saxon 매개변수 집합(특히 StkI)이 국지 영역에서 실험적 단일입자 에너지와의 일치도가 더 좋아 아이소머 예측에 영향을 준다.
• 계산에 따르면 기저상태 변형은 약하게 oblate이고, high-K 상태는 차단된 high-j 궤도로 인해 oblate 변형을 안정화시킨다.
• 양성자 침전선 이웃 동족핵인 162Pt 84와 같이 고-K 아이소머 상태와 기저 상태 간의 안정성 반전 가능성 시나리오가 제시되며 초거핵핵에서 보이는 패턴과 유사하다.
• 본 연구는 스핀-오비 불확실성 하에서 아이소머의 구조를 제약하기 위한 전이 특성 데이터와 추가 실험/이론 연구의 필요성을 강조한다.

Figure 2: Calculated single-particle energies near the Fermi surface for neutrons (similarly for protons) as functions of quadrupole deformation $\beta_{2}$ by using the Woods-Saxon Hamiltonian with the StkI (a) and universal (b) parameters Meng2018 ; Yang2016 ; Bhagwat2010 ; Bhagwat2023 for 160 Os.