Sondeo de núcleos de helio fuera del estado fundamental

Evgeny Ebelbaum

Facultad de Física y Astronomía, Ruhr University Bochum, Bochum, Alemania

10 de abril de 2023&bala; Física 16, 58

Un nuevo experimento de dispersión de electrones desafía nuestra comprensión del primer estado excitado de un núcleo de helio.

Ampliar el número — **Figura 1:** La dispersión inelástica de electrones lejos de los núcleos de helio puede proporcionar información sobre el primer estado excitado del helio, que se denomina $0_{2}^{+}$ . Nuevos experimentos confirman una discrepancia con las expectativas teóricas.

núcleos de helio, también conocidos como $𝛼$ La partícula consta de dos protones y dos neutrones y es uno de los núcleos atómicos más estudiados. Dado el pequeño número de componentes, el $𝛼$ La partícula se puede describir con precisión mediante cálculos de primeros principios. Sin embargo, los casos excitados de $𝛼$ La partícula sigue siendo un misterio, como lo demuestra la controversia sobre la excitación del estado fundamental. $0_{1}^{+}$ al primer estado excitado $0_{2}^{+}$ [1]. Las predicciones teóricas de esta transición no coinciden con las mediciones, pero las incertidumbres experimentales eran demasiado grandes para extraer implicaciones. Ahora, la colaboración A1 en Mainz Microtron (MAMI) en Alemania ha vuelto a medir esta transición a través de la dispersión de electrones inelásticos. [2]. Los nuevos datos mejoran significativamente la precisión con respecto a las mediciones anteriores y confirman la discrepancia inicial. Los resultados arrojan nuevos conocimientos sobre la estructura espacial de F $0_{2}^{+}$ mientras abordamos preguntas fundamentales sobre nuestra comprensión de las reacciones nucleares.

Las propiedades de los núcleos de baja energía se pueden estudiar resolviendo la ecuación de Schrödinger de la mecánica cuántica para la interacción de los nucleones. avances recientes en el principio Los métodos de pocos cuerpos, junto con el rápido aumento de la potencia computacional, permiten una caracterización fiable de núcleos de masa ligera y media. [3]. El enfoque mejor establecido actualmente se basa en la teoría del campo efectivo quiral ( $𝜒$ transferencia electrónica de fondos) [4]. Esta teoría permite derivar reacciones nucleares a través de una expansión turbulenta de masas de quarks y el impulso de tres de los nucleones. Proporciona una explicación naturalista de la jerarquía observada de fuerzas nucleares, en la que las interacciones dinucleares dominan sobre las interacciones multinucleares. $𝜒$ EFT se ha aplicado con éxito y ampliamente a una amplia gama de sistemas nucleares. [5].

a mi $𝛼$ partícula, energía $0_{1}^{+}$ El caso base se reproduce correctamente en $𝜒$ cuentas de transferencia bancaria. Pero resulta que la energía del estado fundamental está impulsada por las propiedades universales de unos pocos sistemas de nucleones. [6] Por lo tanto, son en gran medida insensibles a los detalles de interacción. Las pruebas más rigurosas provienen de la reproducción del factor de forma eléctrico $𝓕 (s^{2})$ que se basa en la transmisión de cuatro pares $s$ Puede interpretarse como una medida de la distribución de carga dentro del núcleo. cálculos teóricos para $𝓕 (s^{2})$ a $𝛼$ Otras partículas ligeras y núcleos muestran un buen acuerdo con los datos experimentales a bajo nivel $s^{2}$ Valioso [7], lo que indica que la estructura del estado fundamental de estos núcleos se comprende bien. Dispersión de baja potencia para dos $𝛼$ Las partículas también se describen acertadamente con $𝜒$ Transferencia Electrónica de Fondos [8].

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el $𝛼$ Una partícula puede ser excitada desde su estado fundamental a $0_{2}^{+}$ El estado tiene una energía de 20,2 MeV, que se encuentra justo por encima del umbral de descomposición de dos cuerpos de 19,8 MeV, donde $𝛼$ La partícula se desintegra en un protón y un núcleo de hidrógeno 3. Esto puede sonar extraño $0_{2}^{+}$ Se encuentran en un “continuo” de estados no ligados, pero este modo supraumbral es común en la física nuclear, razón por la cual muchos estados excitados se denominan resonancias. Dado el umbral de energía anterior, los investigadores todavía están debatiendo cómo interpretar $0_{2}^{+}$ Estado: ¿Es principalmente una excitación colectiva del sistema de 4 nucleones o es un estado similar a una partícula que consta de un protón y un núcleo de hidrógeno 3?

para ayudar a entender $0_{2}^{+}$ En este caso, los experimentadores pueden sondear esta resonancia usando dispersión de electrones inelástica (Fig. 1), restaurando el llamado factor de forma de transición unipolar $𝓕_{METRO} (s^{2})$ , que es sensible a la estructura del estado excitado. Varios experimentos en la década de 1970 midieron el cuadrado del valor absoluto de $𝓕_{METRO}$ para un grupo de $s^{2}$ Valioso. Desde el punto de vista teórico, los cálculos del factor de forma eran difíciles debido a la ubicación $0_{2}^{+}$ Un caso por encima del umbral de continuidad, como la mayoría el principio Las cuentas están limitadas a países restringidos. Esta complicación se superó en 2013 con una técnica que implícitamente tiene en cuenta los efectos de continuidad [1]. se usan las cuentas $𝜒$ Se encontró que EFT, así como los modelos fenomenológicos, eran inconsistentes con los datos, pero no se pudieron sacar conclusiones sólidas debido a la baja precisión de los datos experimentales tomados hace casi medio siglo.

Ilustración — **Figura 2:** Factor de forma de transición unipolar $𝓕_{METRO} (s^{2})$ Sensible a la distribución de carga dentro del primer estado excitado del helio. Los experimentos de dispersión de electrones miden el cuadrado del valor absoluto del factor de forma $| 𝓕_{METRO} (s^{2}) |^{2}$ . Las nuevas mediciones (cuadrados rojos) se comparan con los datos anteriores (puntos grises), con $𝜒$ Predicciones de EFT (línea roja) y modelos fenomenológicos (líneas azul y amarilla)Factor de forma de transición unipolar $𝓕_{METRO} (s^{2})$ Sensible a la distribución de carga dentro del primer estado excitado del helio. Los experimentos de dispersión de electrones miden el cuadrado del valor absoluto del factor de forma $| 𝓕_{METRO} (s^{2}) |^{2}$ . Nuevas medidas (re… Mostrar más

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Simon Kegel de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, Alemania, y sus colegas midieron el factor de forma unipolar en una amplia gama de $s^{2}$ Valores con incertidumbres muy bajas en comparación con mediciones anteriores [2]. Para lograr esta mejora, el equipo expuso un objetivo de gas helio en una celda de aluminio a un haz de electrones MAMI con tres energías diferentes. Un componente clave del análisis fue la cuidadosa manipulación de las contribuciones de fondo causadas por la dispersión de electrones en las paredes de las celdas de aluminio. Para aislar este fondo, el equipo realizó mediciones separadas con la disminución de la densidad del helio dentro de la celda. Los nuevos datos de alta resolución para el factor de forma de transición concuerdan con las mediciones anteriores y confirman la divergencia con los cálculos (Fig. 2). Kegel y sus colegas también extrajeron los dos primeros coeficientes de expansión de bajo impulso del factor de forma de transición. Estas cantidades, que proporcionan información sobre la extensión espacial de $0_{2}^{+}$ también se encontró que se desvía de las expectativas teóricas.

Entonces, ¿qué significan estas contradicciones para la teoría moderna de las fuerzas nucleares? En primer lugar, las predicciones del factor de forma de transición varían en aproximadamente un 100 %, según las entradas de interacción utilizadas. Esta amplia difusión en las predicciones teóricas sugiere que el factor de forma puede actuar como una herramienta, o “lupa”, para investigar pequeñas contribuciones a las fuerzas nucleares. [1]. Sin embargo, antes de realizar dicho análisis, los investigadores deben comprender mejor las incertidumbres teóricas. A diferencia de los modelos fenomenológicos, $𝜒$ La transformación electrónica (EFT) proporciona una expansión sistemática orden por orden de las observaciones de baja energía y permite la estimación del error de truncamiento de interacciones insignificantes de orden superior. En los últimos años, se han desarrollado métodos bayesianos para identificar errores de truncamiento “aprendiendo” cómo $𝜒$ La expansión de las transferencias bancarias converge a medida que se contabilizan más pedidos [9]. Si el trabajo futuro muestra que estos errores de truncamiento son grandes para el factor de forma transicional, como ya sugirió su extrema sensibilidad a las entradas de interacción, la importancia de la discrepancia observada puede cuestionarse.

Independientemente de las incertidumbres discutidas anteriormente, el origen de la fuerte sensibilidad del factor de forma a los detalles de la fuerza nuclear es una pregunta interesante en sí misma. Una posible explicación tiene que ver con qué tan cerca está el $0_{2}^{+}$ La energía de excitación (20,2 MeV) alcanza el grado de disociación de dos cuerpos (19,8 MeV). El factor de forma puede depender de esta diferencia de energía, por lo que cualquier incertidumbre en el cálculo de la energía de excitación se traducirá en incertidumbres relativamente grandes en las predicciones del factor de forma. Recientemente, los investigadores han extraído propiedades (energía y ancho) de $0_{2}^{+}$ Resonancia de transiciones de fase de protón más hidrógeno resolviendo el problema de dispersión de cuatro cuerpos usando $𝜒$ Transferencia Electrónica de Fondos [10]. De acuerdo con la explicación propuesta, la presentación del $0_{2}^{+}$ Se encontró que la resonancia muestra una sensibilidad muy alta a los detalles de las interacciones. Se necesita más investigación teórica para explorar la relación entre el factor de forma y la ubicación. $0_{2}^{+}$ eco.

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Referencias

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San Kegel et al.“medida $𝛼$ El factor de forma de transición unipolar desafía la teoría: ¿es un rompecabezas de baja energía para las fuerzas nucleares? ” física Rev. litt. 130152502 (2023).
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Sobre el Autor

Evgeny Epelbaum recibió su doctorado en 2000 de la Ruhr-University Bochum, Alemania, y ha trabajado como investigador postdoctoral en la Ruhr-University Bochum, Forschungszentrum Jülich en Alemania, la Universidad de Paris-Sud y Jefferson Lab en Virginia. En 2006, se convirtió en Profesor Asociado en la Universidad de Bonn, Alemania. Desde 2010 es profesor titular de física teórica en la Ruhr-University Bochum. Su investigación se centra en la comprensión de la estructura y la dinámica de los sistemas nucleares y hadrónicos de alta interacción utilizando la teoría de campos efectivos. Recibió la Medalla Fadeev 2021.