DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-025-01776-2
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: S. Doshi وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات أبحاث الفيزياء النووية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يبلّغ المؤلفون عن اكتشاف حالة إيزومرية جديدة في \(^{183}\text{Ta}\)، والتي تم تكوينها من خلال تحلل بيتا في الحالة الأساسية لـ \(^{183}\text{Hf}\). تم إجراء التجربة في منشأة KISS في RIKEN، باستخدام نظائر الهافنيوم الغنية بالنيوترونات التي تم إنتاجها عبر تفاعلات نقل متعدد النيوكليونات (MNT). بعد الإنتاج، تم تأيين ذرات الهافنيوم بالليزر، وفصلها حسب الكتلة، واكتشافها باستخدام نظام توافق الإلكترون-جاما. تم إجراء التحليل الطيفي الإيزومري من خلال تحليل مختلف ارتباطات زمن الإلكترون-جاما، مما أدى إلى تحديد انتقال أشعة جاما عند 459.1 keV في الأطياف المتأخرة.
استخرج المؤلفون عمر نصف قدره \(41^{+6}_{-4} \, \mu s\) من خلال ملاءمة توزيع الزمن. الحالة المحددة عند 459.1 keV في \(^{183}\text{Ta}\) معروفة سابقًا وتم تعيينها بتكوين مداري نيلسون \(5/2^+ [402]\). الحالة الإيزومرية الجديدة المقترحة فوقها تُفسر على أنها ذات تكوين \(1/2^+ [411]\)، والتي تتحلل إلى الحالة \(5/2^+ [402]\) عبر انتقال E2 منخفض الطاقة لم يُلاحظ. تتماشى هذه التفسير مع الاتجاهات النظامية الملحوظة في النوى ذات العدد الفردي A المجاورة وتدعم حسابات معدل الانتقال.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية المنطقة الغنية بالنيوترونات في مخطط النواة، لا سيما في نطاق الكتلة \( A \sim 180-190 \)، لفهم الإيزومرات وتطور بنية القشرة. التفاعل بين شكل النواة وبنية القشرة يسهل الإيزومرية، لا سيما في سياق انتقالات الشكل البارز-المسطح في النيوكليدات. بينما تقدمت النماذج النظرية في فهمنا لتطور الشكل في النظائر مثل Os و Pt، كانت التحقيقات التجريبية محدودة بسبب التحديات المرتبطة بالنظائر الغنية بالنيوترونات والطبيعة المقاومة للعناصر مثل الهافنيوم والبلاتين.
تم إحراز تقدم مؤخر في اكتشاف إيزومرات طويلة العمر في النظائر مثل \( ^{183}Hf \)، \( ^{184}Hf \)، \( ^{186}Ta \)، و \( ^{187}Ta \) من خلال تفاعلات تفتت المقذوفات. من الجدير بالذكر أن الدراسة الحالية تقدم أدلة قوية على وجود إيزومر منخفض الدوران في \( ^{183}Ta \) يتم تكوينه عبر تحلل بيتا لـ \( ^{183}Hf \). هذا الإيزومر، الذي يتميز بتكوين \( \frac{1}{2}^+ [411] \)، يتحلل إلى حالة \( \frac{5}{2}^+ [402] \) التي تم تحديدها سابقًا. على الرغم من الجهود السابقة التي استخدمت تقنيات طيفية بيتا-جاما و جاما-جاما، لم يتم اكتشاف وجود هذا الإيزومر \( \frac{1}{2}^+ \) حتى الآن.
طرق
في هذه الدراسة، تم توجيه شعاع من 50 جزء من النانو أمبير (pnA) من $^{136}$Xe عند 7.2 MeV لكل نيوكليون نحو هدف من التنجستن الطبيعي لإنتاج النظائر عبر تفاعلات نقل متعدد النيوكليونات (MNT). تم التقاط نواتج التفاعل في خلية غاز بعد المرور عبر فيلم بوليميد مغطى بالذهب والتباطؤ في غاز الأرجون عند حوالي 10^5 Pa. تم تحقيق تأيين انتقائي لنظائر الهدف من خلال طريقة تأيين الرنين بالليزر ذات اللونين والخطوتين، مع استخدام $^{184}$W كمرجع لضبط النظام. حدث الانتقال الأول للنظير المعني، $^{183}$Hf، عند 251.8620 نانومتر، تلاه التأيين عند 307.9 نانومتر.
بعد التأيين، تم فصل النظائر حسب الكتلة الذرية باستخدام تقنيات فصل النظائر على الإنترنت (ISOL) وتوجيهها إلى محطة تحلل بيتا-جاما. هنا، تم زرع الأيونات في جامع شريط متحرك محاط بكاشف غاز متعدد الأجزاء ثلاثي الأبعاد (3D-MSPGC) مكون من 32 عنصرًا وأربعة كاشفات أشعة جاما من الجرمانيوم Super-Clover. سمح التصميم المجزأ لـ 3D-MSPGC بتحديد أحداث الجسيمات بيتا الحقيقية، بينما تم تقليل الضوضاء الخلفية من خلال كواشف بلاستيكية ودرع من الرصاص. شملت عملية جمع البيانات فترات متناوبة من تشغيل الشعاع (T_on) وعدم النشاط (T_off)، مع تركيز خاص على خصائص تحلل $^{183}$Hf. كشفت الأطياف الناتجة عن أشعة جاما عن انتقالات كبيرة عند 73.2 keV و 783.7 keV، مما أكد تحديد $^{183}$Hf وصحح عملية الاستخراج، كما هو موضح في الأشكال والجداول المرفقة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون قياس معدل الزرع وعمر نصف الحالة الأساسية لـ 183Hf، بالإضافة إلى توصيف الحالات الإيزومرية في 183Ta. تم حساب معدل الزرع، الذي يُشار إليه بـ \( Y \)، باستخدام معادلات التحلل التي تأخذ في الاعتبار عدد النوى التي تحللت خلال وبعد عملية الزرع. أسفر التحليل عن معدل زرع قدره \( 0.85(8) \) أيونات/ثانية، بناءً على العدد الإجمالي للتحللات من الانتقالات البارزة في طيف توافق بيتا-جاما. تم تأكيد عمر نصف 183Hf ليكون \( 1.018(2) \) ساعات، متوافقًا مع القياسات السابقة.
تحدد القسم أيضًا إيزومر طويل العمر في 183Ta، تم تعيينه كحالة \( 1/2^+ [411] \)، والتي تتحلل إلى الحالة \( 5/2^+ [402] \) عبر انتقال E2 غير ملحوظ بطاقة \( E_\gamma \leq 80 \) keV. تم قياس عمر نصف هذه الحالة الإيزومرية ليكون \( 41^{+6}_{-4} \) ميكروثانية. يربط المؤلفون نتائجهم بتكوينات المدارات النيلسون للنظائر المجاورة، مما يوفر سياقًا نظاميًا لنتائجهم. تؤكد المناقشة على أهمية هذه القياسات في سد الفجوات في البيانات التجريبية لنظائر التنتالوم ذات العدد الفردي A وتقترح تحديات تجريبية مستقبلية في ملاحظة انتقالات مماثلة في نظائر أثقل مثل 185Ta.
DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-025-01776-2
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): S. Doshi et al.
Primary Topic: Nuclear physics research studies
Overview
In this study, the authors report the discovery of a new isomeric state in \(^{183}\text{Ta}\), which was populated through the ground-state β-decay of \(^{183}\text{Hf}\). The experiment was conducted at the KISS facility at RIKEN, utilizing neutron-rich hafnium isotopes produced via multi-nucleon transfer (MNT) reactions. Following production, hafnium atoms were laser-ionized, mass-separated, and detected using an electron-gamma coincidence system. Isomeric spectroscopy was performed by analyzing various electron-gamma time correlations, leading to the identification of a 459.1 keV γ-ray transition in delayed spectra.
The authors extracted a half-life of \(41^{+6}_{-4} \, \mu s\) through time-distribution fitting. The identified 459.1 keV state in \(^{183}\text{Ta}\) is previously known and assigned a Nilsson orbital configuration of \(5/2^+ [402]\). The proposed new isomeric state above it is interpreted as having a \(1/2^+ [411]\) configuration, which decays to the \(5/2^+ [402]\) state via an unobserved low-energy E2 transition. This interpretation aligns with systematic trends observed in neighboring odd-A nuclei and supports transition rate calculations.
Introduction
The introduction highlights the significance of the neutron-rich region of the nuclear chart, particularly in the mass range of \( A \sim 180-190 \), for understanding isomers and shell structure evolution. The interplay between nuclear shape and shell structure facilitates isomerism, particularly in the context of prolate-oblate shape transitions in nuclides. While theoretical models have advanced our understanding of shape evolution in isotopes such as Os and Pt, experimental investigations have been limited due to the challenges associated with neutron-rich isotopes and the refractory nature of elements like hafnium and platinum.
Recent advancements have been made in the discovery of long-lived isomers in isotopes such as \( ^{183}Hf \), \( ^{184}Hf \), \( ^{186}Ta \), and \( ^{187}Ta \) through projectile-fragmentation reactions. Notably, the current study presents compelling evidence for a low-spin isomer in \( ^{183}Ta \) that is populated via the β-decay of \( ^{183}Hf \). This isomer, characterized by a \( \frac{1}{2}^+ [411] \) configuration, decays into a previously identified \( \frac{5}{2}^+ [402] \) state. Despite earlier efforts utilizing β-γ and γ-γ spectroscopic techniques, the existence of this \( \frac{1}{2}^+ \) isomer had not been detected until now.
Methods
In this study, a 50 particle nanoampere (pnA) beam of $^{136}$Xe at 7.2 MeV per nucleon was directed onto a natural tungsten target to produce isotopes via multinucleon transfer (MNT) reactions. The reaction products were captured in a gas cell after passing through a gold-coated polyimide film and slowing down in argon gas at approximately 10^5 Pa. Selective ionization of the target isotopes was achieved through a two-color, two-step laser resonance ionization method, with $^{184}$W used as a reference for system tuning. The first transition for the isotope of interest, $^{183}$Hf, occurred at 251.8620 nm, followed by ionization at 307.9 nm.
Post-ionization, isotopes were separated by atomic mass using Isotope Separation On-Line (ISOL) techniques and directed to a β-γ decay station. Here, ions were implanted into a moving tape collector surrounded by a 32-element three-dimensional MultiSegmented Proportional Gas Counter (3D-MSPGC) and four Super-Clover germanium γ-ray detectors. The 3D-MSPGC’s segmented design enabled the identification of true β-particle events, while background noise was mitigated through plastic scintillators and lead shielding. Data collection involved alternating periods of beam operation (T_on) and inactivity (T_off), with a specific focus on the decay characteristics of $^{183}$Hf. The resulting γ-ray spectra revealed significant transitions at 73.2 keV and 783.7 keV, confirming the identification of $^{183}$Hf and validating the extraction process, as detailed in the accompanying figures and tables.
Discussion
In this section, the authors discuss the measurement of the implantation rate and half-life of the 183Hf ground state, as well as the characterization of isomeric states in 183Ta. The implantation rate, denoted as \( Y \), was calculated using decay equations that account for the number of nuclei that decayed during and after the implantation process. The analysis yielded an implantation rate of \( 0.85(8) \) ions/s, based on the total number of decays from prominent transitions in the β-γ coincidence spectrum. The half-life of 183Hf was confirmed to be \( 1.018(2) \) hours, consistent with previous measurements.
The section further identifies a long-lived isomer in 183Ta, assigned as a \( 1/2^+ [411] \) state, which decays to the \( 5/2^+ [402] \) state via an unobserved E2 transition with energy \( E_\gamma \leq 80 \) keV. The measured half-life of this isomeric state is \( 41^{+6}_{-4} \) µs. The authors relate their findings to the Nilsson orbital configurations of neighboring isotopes, providing a systematic context for their results. The discussion emphasizes the significance of these measurements in filling gaps in the experimental data for odd-A tantalum isotopes and suggests future experimental challenges in observing similar transitions in heavier isotopes like 185Ta.