[论文解读] 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 15

一句话总结

本研究通过高精度共线激光光谱测量，对钪同素异形体及N=28同中子素中的电磁矩进行了研究，聚焦于孤立的0f_{7/2}轨道。该研究对壳模型和从头计算方法进行了基准测试，揭示了在N=28附近预测的磁矩和四极矩存在显著偏差，凸显了改进核相互作用和多体方法的迫切需求。

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.

研究动机与目标

• 利用CERN-ISOLDE的共线激光光谱法，以更高精度测量^{49}Sc的电四极矩。
• 研究电磁矩对价核子处于孤立0f_{7/2}轨道的原子核中核子-核子M1和E2关联性的敏感性。
• 检验壳模型和从头计算多体理论在描述N=28附近钙区核素电磁矩方面的有效性。
• 通过将实验数据与有效相互作用及规范两体和三体力的预测结果进行比较，建立理论模型的基准。
• 量化理论与实验之间的差异，以指导未来核相互作用和多体方法的发展。

提出的方法

• 在CERN-ISOLDE采用共线激光光谱法测量超精细结构和同位素位移，从而提取磁偶极矩和电四极矩。
• 在fp模型空间中，利用GXPF1A相互作用对0f_{7/2}价轨道进行壳模型计算。
• 采用规范两体和三体核子相互作用，进行从头计算价空间中子相似性重正化群（VS-IMSRG）计算。
• 将理论预测与Z=21同素异形体及N=28同中子素的磁矩（μ）和四极矩（Q）的实验数据进行比较。
• 分析有效电荷和耦合数方案，以评估E2关联性和核心极化效应的作用。
• 系统性地量化了理论与实验之间的偏差，特别是在N=28附近的磁矩趋势和绝对值方面。

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 ] .

实验结果

研究问题

• RQ1 ^{49}Sc及其他^{47,49}Sc同素异形体的电磁矩与壳模型和从头计算方法的预测结果相比如何？
• RQ2 N=28同中子素的实验四极矩在多大程度上证实了独立粒子壳模型的耦合数方案？
• RQ3 为何当前理论模型系统性地低估了Z=21同素异形体的磁矩，尤其是在N=28附近？
• RQ4 从头计算VS-IMSRG计算在多大程度上再现了N=28同中子素链中四极矩的线性趋势？
• RQ5 理论与实验之间的差异揭示了当前核相互作用中缺失的关联性（如M1和E2激发）的哪些信息？

主要发现

• 首次以更高精度直接测定^{49}Sc的电四极矩为Q_s = -0.159(8) eb。
• 对^{47,49}Sc的磁矩测量精度接近提升十倍，使理论模型的敏感性测试成为可能。
• N=28同中子素链中四极矩趋势随中子数线性增加，与独立粒子模型的耦合数方案一致。
• 壳模型GXPF1A相互作用在N=28附近高估了四极矩的绝对值，表明对p_{3/2}轨道的E2关联性估计过高。
• 从头计算VS-IMSRG计算低估了Z=21同素异形体的四极矩，表明在N=20至28之间中子壳层开启时，E2关联性缺失。
• 所有理论模型均显著低估了Z=21同素异形体链的磁矩，表明当前相互作用中M1强度被高估或N=28壳隙过小。

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