Почему возможны грушевидные ядра?

В недавнем вопросе Бен Кроуэлл высказал наблюдение, которое меня очень озадачило. Я получил частичный ответ, просмотрев литературу, но я хотел бы знать, находится ли он на правильном пути, и получить более полное объяснение.

В атомной и молекулярной физике хорошо известен тот факт, что собственные электронные состояния инверсно-симметричных молекул никогда не имеют электронных дипольных моментов. Это связано с тем, что электромагнитный гамильтониан, управляющий молекулярной физикой, инвариантен по четности: при отражении собственные состояния должны отображаться сами в себя, но ненулевые векторные величины, такие как дипольные моменты, должны менять знаки.

Однако ранее в этом году было довольно большой новостью (см., например, пресс-релиз Йоркского университета или статью в Nature News от 8 мая 2013 г. ), что атомные ядра могут иметь «грушевидную форму». Это было предсказано в пятидесятые годы, например,

Устойчивость грушевидных ядерных деформаций. К. Ли и Д. Р. Инглис. физ. 108 нет . 3, стр. 774-778 (1957)

и было экспериментально подтверждено в этом году в

Исследования грушевидных ядер с помощью ускоренных радиоактивных пучков. LP Gaffney, PA Butler et al. Природа 497 , 199–204 (9 мая 2013 г.) . Электронная печать на странице LP Gaffney LU .

Ядро грушевидной формы имеет ненулевой электрический октуполярный момент. Форма груши возникает из-за дополнительных вкладов квадрупольных и октупольных возмущений в сферическую форму, что приводит к чему-то вроде этого:

введите описание изображения здесь

Однако это создает огромную проблему, поскольку октупольные моменты имеют нечетную четность. Если вы отразите грушевидное ядро ​​(в отличие от квадруполярного ядра в форме мяча для регби), вы получите грушу, направленную в другую сторону. Наличие такого ядра требует смешивания четно-четных и -нечетных вкладов в собственное энергетическое состояние, а это не допускается для собственных состояний сохраняющих четность электромагнитных и сильных взаимодействий, которые (предположительно) формируют атомные ядра.

Иными словами, наличие грушевидного ядра требует способа определить, в какую сторону будет направлена ​​груша. Угловой момент ядра может нарушить изотропию и обеспечить особую ось, но «груша» — это вектор (указывающий от основания к стержню), и для превращения псевдовекторного углового момента в векторную величину требуется механизм нарушения четности.

Другой способ сформулировать это - сказать, что если бы такое собственное состояние было возможно для гамильтониана, сохраняющего четность, то отраженная версия также должна быть вырожденным, неразделимым собственным состоянием. Наличие такого уникального основного состояния означает наличие способа снять это вырождение.

Тогда я могу задать свой вопрос: почему возможны грушевидные ядра? Мои рассуждения неверны? То есть могут ли гамильтонианы, сохраняющие четность, привести к таким смешанным по четности собственным состояниям? Или на самом деле существуют взаимодействия, нарушающие четность, которые решительно снимают вырождения и формируют эти ядра? Если так, то кто они?

Хороший член Physics.SE прислал мне по электронной почте статью Гаффни. Энергетические уровни 224Ra были обнаружены в 1989 г. Poynter et al. В ядерной физике мы никогда не встречаем классическую схему энергетических уровней, наблюдаемую в асимметричном роторе в молекулярной физике: чередующиеся полосы с 0+, 2+, ... и 1-, 3-, ... с точным J (J+1) расстояние между уровнями. В 224Ra полоса отрицательной четности повышена по энергии. Что нового в работе Гаффни, так это то, что они измерили абсолютные силы электромагнитных переходов, которые являются лучшими зондами, чем энергии. Форма скорее неустойчивая, чем статическая грушевидная.
Я зарегистрировался, чтобы «проголосовать» за приведенные здесь ответы, которые очень хорошо охватывают основы этого. Однако у меня пока недостаточно репутации, чтобы внести свой вклад. Я могу добавить сюда ссылку на содержание обсуждаемой статьи в Nature: ns.ph.liv.ac.uk/~lg/papers/… К сожалению, на статьи в Nature действует 6-месячное эмбарго, которое ограничивает публикацию содержимое в другом месте, пока это не пройдет.

Ответы (1)

У меня есть частичный ответ на мой вопрос, который я публикую здесь, потому что вопрос становится слишком длинным.

После тщательного просмотра в Интернете множества запутанных (для меня) статей из литературы по ядерной физике я наткнулся на этот обзор:

Асимметрия собственного отражения в атомных ядрах. П.А. Батлер и В. Назаревич. Преподобный Мод. физ. 68 нет. 2, стр. 349-421 (1996) .

Здесь они проводят аналогию с эффектом Яна-Теллера , который изначально был принципом молекулярной физики, утверждающим, что пространственно вырожденные основные состояния вообще невозможны: всегда будет некоторая деформация молекулы — или какое-то другое взаимодействие, каким бы малым оно ни было — что нарушает симметрию системы и поэтому обязательно снижает энергию хотя бы одного из вырожденных состояний. Таким образом, они прямо заявляют, что

Стабильные отражательно-асимметричные деформации в фиксированной системе отсчета можно отнести к нарушающему четность взаимодействию нечетной мультиполярности, которое связывает внутренние состояния противоположной четности.

Позже они указывают причину нарушения этой четности из-за слабого взаимодействия :

Нарушение четности (в лабораторной системе отсчета) вызвано несохраняющей четность компонентой, В ПНК , слабого взаимодействия. Величина этого эффекта порядка α п знак равно грамм Ф м π 2 / грамм С ∼ 10 − 7 , куда грамм Ф постоянная Ферми и грамм С – константа сильной связи.

Если это так, то мое естественное предположение состоит в том, что ядро, основное состояние которого имеет грушевидную форму, должно быть частью почти вырожденного дублета (который происходит от исходного вырожденного основного состояния сильного и электромагнитного взаимодействий), разделенного примерно 10 − 7 промежутка в следующее возбужденное состояние. Тогда первое, «слабо» возбужденное состояние также будет грушевидным и будет иметь проекцию

(грушевидный вектор) ⋅ (угловой момент)
в направлении, противоположном основному состоянию. Верна ли эта интуиция?

Верно. Туннелирование от груши к груше с инвертированной четностью очень слабое - своего рода туннельный эффект - и из-за этой экспоненциальной слабости оно иногда конкурирует с небольшими, но «степенными» нарушениями четности из-за слабых взаимодействий. Таким образом, последние способны повернуть собственное состояние с наименьшей энергией в суперпозицию, которая сильно несбалансирована в груше и перевернутой груше.
@LubošMotl Круто. Думаю, я понимаю большую часть этого. (Хотя я не совсем уверен, что вы подразумеваете под «степенным законом».) Есть ли у вас хороший и относительно простой справочник, где мы, физики-ядерщики, можем увидеть, как это происходит?
Уважаемый Эмилио, к сожалению, сейчас я не могу перечислить хорошие ссылки (хотя, возможно, я уже сталкивался с этим когда-то в прошлом), в этом очень помогли ваши статьи. Под «степенным законом» я просто имел в виду, что матричные элементы гамильтониана между грушей и антигрушей, вносимые слабым взаимодействием, пропорциональны степени радиуса ядра, в то время как туннелирование происходит как exp(- Т), где Т — некоторая «толщина потенциального барьера», который приходится преодолевать некоторым нуклонам, а Т растет с увеличением радиуса ядра.
Хотя туннелирование в основном связано с сильным взаимодействием, которое сильнее слабого взаимодействия, экспоненциальное подавление может сделать его слабее слабого взаимодействия. Нужно проверить, что поправка от слабого взаимодействия достаточно велика, чтобы можно было наблюдать грушевидность ... Аналогичная конкуренция возникает для альфа- и бета-распадов. Бета медленная, потому что это слабое взаимодействие. Альфа возникает из-за туннелирования альфа-частиц, что является сильным взаимодействием, но зависит от некоторой T экспоненциально, поэтому время жизни альфа-распада охватывает огромный интервал, различающийся на десятки порядков.
Почему возможны грушевидные ядра?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v