DOI: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2026.140487
تاريخ النشر: 2026-04-28
المؤلف: Cong Pan وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات أبحاث الفيزياء النووية
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم إمكانية وجود هالات نيوترونية مشوهة في نظائر السيليكون، مع التركيز بشكل خاص على النظائر \(^{43}\text{Si}\) و \(^{45}\text{Si}\). تستخدم الدراسة نظرية هارتري-بوجوليوبوف النسبية المشوهة في الاستمرارية (DRHBc) بالاشتراك مع نموذج غلاوبر لتحليل الخصائص الهيكلية والتفاعلية. تشير النتائج إلى أن طاقات الفصل النيوتروني التجريبية لهذه النظائر يتم إعادة إنتاجها بدقة بواسطة إطار عمل DRHBc.
تقيّم البحث معايير الهالة المختلفة، بما في ذلك المقاييس العالمية المستندة إلى أشعة الجذر التربيعي ومتProfiles الكثافة، بالإضافة إلى المعايير المجهرية المستمدة من المدارات الجزيئية الفردية وتوزيعاتها المكانية. تكشف النتائج باستمرار عن وجود هالات نيوترونية من النوع p في \(^{43}\text{Si}\) و \(^{45}\text{Si}\)، والتي تتميز بفصل كبير في الشكل بين الهالة والنواة. بالإضافة إلى ذلك، تلاحظ الدراسة زيادة في مقاطع التفاعل العرضية وتوزيعات زخم طولية ضيقة لبقايا إزالة نيوترون واحد، مما يدعم هياكل الهالة في هذه النظائر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدم الكبير في الفيزياء النووية منذ ملاحظة زيادة دراماتيكية في مقطع التفاعل للنواة الهالية \(^{11}\text{Li}\) في عام 1985. لقد شكلت هذه الظاهرة، إلى جانب ظواهر أخرى مثل التغيرات في الأعداد السحرية النووية والرنينات اللينة، تحديات للنماذج النووية التقليدية وجذبت اهتمامًا واسعًا من الباحثين. تم تحديد الهالات في حوالي 20 نواة، مع كون \(^{37}\text{Mg}\) هو أثقل نواة هالية معروفة. بينما تم تأسيس خصائص هياكل الهالة في النوى الخفيفة بشكل جيد، فإن النوى المتوسطة والثقيلة تقدم تعقيدات بسبب التأثيرات الأكثر دقة لنيوترونات الهالة، مما يتطلب مزيدًا من الاستكشاف النظري والتجريبي.
تركز الدراسة على نظائر السيليكون، التي تظهر خصائص تطور القشرة المثيرة للاهتمام وقد كانت موضوعًا لتحقيق تجريبي كبير. تم تحديد خط السقوط لنظائر السيليكون عند \(^{22}\text{Si}\) على الجانب الغني بالبروتونات، بينما تمتد النظائر الغنية بالنيوترونات إلى \(^{46}\text{Si}\)، مع بقاء هياكل الهالة المحتملة لها غير مستكشفة إلى حد كبير بسبب البيانات المحدودة. تهدف هذه البحث إلى التحقيق في الظواهر المحتملة للهالة في نظائر السيليكون باستخدام معايير مختلفة، مع الاستعانة بنظرية هارتري-بوجوليوبوف النسبية المشوهة في الاستمرارية (DRHBc) لتحليل الهيكل المجهرية ونموذج غلاوبر لتقييم الملاحظات التفاعلية. ستفصل الأقسام اللاحقة الإطار النظري والأساليب العددية ونتائج الدراسة.
النتائج
تركز النتائج المقدمة في هذا القسم على طاقة الفصل لنيوترون واحد ($S_{1n}$) لنظائر السيليكون، المستمدة من حسابات DRHBc باستخدام الوظيفة PC-PK1. كما هو موضح في الشكل 1، يتم رسم $S_{1n}$ مقابل عدد النيوترونات ($N$)، مما يظهر انحراف الجذر التربيعي (rms) بقيمة $\sigma = 1.03$ MeV عند مقارنته بالبيانات التجريبية المتاحة. يُلاحظ تأثير تباين ملحوظ بين الأعداد الزوجية والفردية لـ $N$، حيث تقع قيم $S_{1n}$ تحت 1 MeV للنظائر ذات الأعداد الفردية مع $N \geq 29$، وتصل إلى قيم سالبة عند $N = 35$، مما يشير إلى خط السقوط لنيوترون واحد عند \(^{48}\text{Si}\). قد تشير وجود طاقات فصل إيجابية صغيرة بالقرب من هذا الخط إلى وجود هياكل هالة.
بالإضافة إلى ذلك، يقارن الشكل 1 النتائج للنظائر الغنية بالنيوترونات $^{41-48}$Si التي تم الحصول عليها باستخدام وظائف كثافة مختلفة (PC-L3R، NL3*، و NL-SH) جنبًا إلى جنب مع PC-PK1. تشير النتائج إلى أن جميع الوظائف تعطي نتائج متسقة من حيث الاتجاهات والأحجام. علاوة على ذلك، فإن التغيرات في طاقات الفصل النيوتروني المحسوبة باستخدام قوى اقتران مختلفة ونوافذ هي الحد الأدنى، خاصة بالنسبة لنظائر السيليكون المرتبطة بشكل ضعيف حيث $S_{1n} < 1$ MeV.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث تطبيق نظرية DRHBc في فهم الهالات النووية، وخاصة في نظائر السيليكون. تدمج النظرية بشكل فعال الارتباطات الاقترانية، وتأثيرات الاستمرارية، وتشوه النواة، مما يسمح بتحليل متسق ذاتيًا للظواهر الغريبة عبر نظائر مختلفة، بما في ذلك البورون والكربون والنيتروجين، وخاصةً السيليكون. تبرز الدراسة ظهور هالات نيوترونية في نظائر مثل \(^{43}\text{Si}\) و \(^{45}\text{Si}\)، والتي تتميز بمقاييس هالة معززة وأعداد نيوترونات متوسطة في مناطق غير مرتبطة مكانيًا، مما يشير إلى امتدادات مكانية كبيرة في توزيعات كثافتها النيوترونية. تدعم هذه النتائج الملاحظات التفاعلية المستمدة من نموذج غلاوبر، الذي يظهر زيادة في مقاطع التفاعل العرضية وتوزيعات زخم ضيقة لهذه النظائر، مما يعزز وجود هياكل الهالة.
تناقش الورقة أيضًا قوة هذه التنبؤات عبر وظائف كثافة مختلفة ومعلمات الاقتران، مما يظهر أن ظاهرة الهالة في \(^{43}\text{Si}\) و \(^{45}\text{Si}\) متسقة بغض النظر عن الخيارات المحددة المتخذة في حسابات DRHBc. علاوة على ذلك، يكشف تحليل المدارات النيوترونية الفردية أن المدارات الضعيفة الارتباط ذات \( \ell \) المنخفضة ضرورية لتشكيل الهالة، حيث تظهر النيوترونات القيمية في هذه النظائر مساهمات كبيرة في ملفات الكثافة الممتدة. تختتم الدراسة بأن \(^{43}\text{Si}\) و \(^{45}\text{Si}\) من المحتمل أن تكونا أثقل نوى هالية معروفة، حيث تزداد إمكانية الوصول التجريبي إلى هذه النظائر، مما يمهد الطريق لمزيد من استكشاف خصائصها الهيكلية وظواهر الهالة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2026.140487
Publication Date: 2026-04-28
Author(s): Cong Pan et al.
Primary Topic: Nuclear physics research studies
Overview
This section investigates the potential existence of deformed neutron halos in silicon isotopes, specifically focusing on isotopes \(^{43}\text{Si}\) and \(^{45}\text{Si}\). The study employs the deformed relativistic Hartree-Bogoliubov theory in continuum (DRHBc) in conjunction with the Glauber model to analyze both structural and reaction characteristics. The findings indicate that the experimental neutron separation energies for these isotopes are accurately reproduced by the DRHBc framework.
The research evaluates various halo criteria, including global metrics based on root-mean-square radii and density profiles, as well as microscopic criteria derived from single-particle orbitals and their spatial distributions. Results consistently reveal the presence of p-wave neutron halos in \(^{43}\text{Si}\) and \(^{45}\text{Si}\), characterized by significant shape decoupling between the halo and the core. Additionally, the study notes enhanced reaction cross sections and narrow longitudinal momentum distributions of one-neutron removal residues, further substantiating the halo structures in these isotopes.
Introduction
The introduction highlights the significant advancements in nuclear physics since the observation of a dramatic increase in the interaction cross section of the halo nucleus \(^{11}\text{Li}\) in 1985. This phenomenon, along with others such as changes in nuclear magic numbers and soft resonances, has posed challenges to traditional nuclear models and garnered extensive interest from researchers. Halos have been identified in approximately 20 nuclides, with \(^{37}\text{Mg}\) being the heaviest known halo nucleus. While the characterization of halo structures in light nuclei is well-established, medium and heavy nuclei present complexities due to the subtler effects of halo neutrons, necessitating further theoretical and experimental exploration.
The study focuses on silicon isotopes, which exhibit intriguing shell evolution properties and have been the subject of significant experimental investigation. The drip line for silicon isotopes has been identified at \(^{22}\text{Si}\) on the proton-rich side, while neutron-rich isotopes extend to \(^{46}\text{Si}\), with their potential halo structures remaining largely unexplored due to limited data. This research aims to investigate possible halo phenomena in silicon isotopes using various criteria, employing the deformed relativistic Hartree-Bogoliubov theory in continuum (DRHBc) for microscopic structure analysis and the Glauber model for evaluating reaction observables. Subsequent sections will detail the theoretical framework, numerical methods, and findings of the study.
Results
The results presented in this section focus on the one-neutron separation energy ($S_{1n}$) for silicon isotopes, derived from the DRHBc calculations using the PC-PK1 functional. As illustrated in Figure 1, $S_{1n}$ is plotted against the neutron number ($N$), demonstrating a root mean square (rms) deviation of $\sigma = 1.03$ MeV when compared to available experimental data. A notable staggering effect is observed between even and odd $N$, with $S_{1n}$ values falling below 1 MeV for odd-N isotopes with $N \geq 29$, and reaching negative values at $N = 35$, indicating the one-neutron drip line at $^{48}$Si. The presence of small positive separation energies near this drip line may suggest the existence of halo structures.
Additionally, the inset of Figure 1 compares results for neutron-rich isotopes $^{41-48}$Si obtained using various density functionals (PC-L3R, NL3*, and NL-SH) alongside PC-PK1. The findings indicate that all functionals yield consistent results in both trends and magnitudes. Furthermore, variations in neutron separation energies calculated with different pairing strengths and windows are minimal, particularly for the weakly bound silicon isotopes where $S_{1n} < 1$ MeV.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the application of the DRHBc theory in understanding nuclear halos, particularly in silicon isotopes. The theory effectively incorporates pairing correlations, continuum effects, and nuclear deformation, allowing for a self-consistent analysis of exotic phenomena across various isotopes, including boron, carbon, nitrogen, and notably, silicon. The study highlights the emergence of neutron halos in isotopes such as \(^{43}\text{Si}\) and \(^{45}\text{Si}\), characterized by enhanced halo scales and average neutron numbers in spatially decorrelated regions, indicating significant spatial extensions in their neutron density distributions. These findings are supported by reaction observables derived from the Glauber model, which show increased reaction cross sections and narrow momentum distributions for these isotopes, reinforcing the presence of halo structures.
The paper also discusses the robustness of these predictions across different density functionals and pairing parameters, demonstrating that the halo phenomenon in \(^{43}\text{Si}\) and \(^{45}\text{Si}\) is consistent regardless of the specific choices made in the DRHBc calculations. Furthermore, the analysis of single-neutron orbitals reveals that weakly bound low-\( \ell \) orbitals are crucial for halo formation, with the valence neutrons in these isotopes exhibiting significant contributions to the extended density profiles. The study concludes that \(^{43}\text{Si}\) and \(^{45}\text{Si}\) are likely to be the heaviest known halo nuclei, as experimental access to these isotopes increases, paving the way for further exploration of their structural characteristics and halo phenomena.