¿Por qué son posibles los núcleos en forma de pera?

En una pregunta reciente , Ben Crowell planteó una observación que realmente me desconcertó. Obtuve una respuesta parcial al buscar en la literatura, pero me gustaría saber si está en el camino correcto y una explicación más completa.

Es un hecho bien conocido en la física atómica y molecular que los estados propios electrónicos de las moléculas con inversión simétrica nunca tienen momentos dipolares electrónicos. Esto se debe a que el hamiltoniano electromagnético que gobierna la física molecular es invariante de paridad: bajo una reflexión, los estados propios deben mapearse a sí mismos, pero las cantidades vectoriales distintas de cero, como los momentos dipolares, deben cambiar de signo.

Sin embargo, fue una noticia bastante importante a principios de este año (ver, por ejemplo , el comunicado de prensa de la Universidad de York o el artículo en Nature News , 8 de mayo de 2013 ) que los núcleos atómicos pueden tener "forma de pera". Esto fue predicho en los años cincuenta, como por ejemplo

Estabilidad de deformaciones nucleares en forma de pera. K. Lee y DR Inglis. física Rev. 108 núm. 3, págs. 774-778 (1957)

y fue confirmado experimentalmente este año en

Estudios de núcleos en forma de pera mediante haces radiactivos acelerados. LP Gaffney, PA Butler et al. Nature 497 , 199–204 (09 de mayo de 2013) . E-print en la página LU de LP Gaffney .

Un núcleo en forma de pera es aquel que tiene un momento octupolar eléctrico distinto de cero. La forma de pera surge de las contribuciones adicionales de las perturbaciones de cuadrupolo y octupolo en una forma esférica, terminando con algo como esto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, esto plantea un problema inmenso, porque los momentos octupolares tienen una paridad impar. Si reflejas un núcleo en forma de pera (a diferencia de uno cuadrupolar en forma de pelota de rugby), obtienes una pera que apunta hacia el otro lado. Tener tal núcleo requiere una mezcla de contribuciones de paridad par e impar a un estado propio de energía, y esto no está permitido para los estados propios de las interacciones electromagnéticas y fuertes que conservan la paridad que (presuntamente) dan forma a los núcleos atómicos.

Para decirlo de otra manera, tener un núcleo en forma de pera requiere una forma de saber en qué dirección apuntará la pera. El momento angular nuclear puede romper la isotropía y proporcionar un eje especial, pero la 'pera' es un vector (que apunta desde la base hacia el tallo) y se necesita maquinaria que viole la paridad para convertir un momento angular pseudovectorial en una cantidad vectorial.

Otra forma de expresar esto es diciendo que si tal estado propio fuera posible para un hamiltoniano que conserva la paridad, entonces la versión reflejada también debería ser un estado propio degenerado e inseparable. Tener un estado fundamental único significa tener una manera de eliminar esa degeneración.

Entonces puedo plantear mi pregunta: ¿por qué son posibles los núcleos en forma de pera? ¿Mi razonamiento es incorrecto? Es decir, ¿pueden los hamiltonianos que conservan la paridad conducir a tales estados propios de paridad mixta? ¿O hay de hecho interacciones que violan la paridad que eliminan de manera decisiva las degeneraciones y dan forma a estos núcleos? Si es así, ¿Que son?

Un buen miembro de physics.SE me envió un correo electrónico con el artículo de Gaffney. Los niveles de energía de 224Ra habían sido encontrados en 1989 por Poynter et al. En física nuclear nunca vemos el tipo de patrón clásico de niveles de energía visto en un rotor asimétrico en física molecular: bandas intercaladas con 0+, 2+,... y 1-, 3-,..., con una J exacta (J+1) espaciado de nivel. En 224Ra, la banda de paridad negativa aumenta en energía. Lo nuevo del trabajo de Gaffney es que midieron fuerzas de transición electromagnética absolutas, que son mejores sondas que energías. La forma es probablemente inestable en lugar de estáticamente en forma de pera.
Me registré para "votar a favor" las respuestas dadas aquí que cubren los fundamentos de esto extremadamente bien. Sin embargo, todavía no tengo suficiente reputación para contribuir. Puedo agregar un enlace aquí al contenido del artículo de Nature que se está discutiendo: ns.ph.liv.ac.uk/~lg/papers/… Desafortunadamente, hay un embargo de 6 meses sobre los artículos de Nature, que restringe la publicación de el contenido en otro lugar hasta que esto pase.

Respuestas (1)

Tengo una respuesta parcial a mi pregunta, que estoy publicando aquí porque la pregunta se estaba haciendo demasiado larga.

Después de una buena mirada en línea a un montón de documentos confusos (para mí) de la literatura de física nuclear, encontré esta revisión:

Asimetría de reflexión intrínseca en núcleos atómicos. PA Butler y W. Nazarewicz. Rev.Mod. física 68 núm. 2, págs. 349-421 (1996) .

Aquí trazan una analogía con el efecto Jahn-Teller , que originalmente es un principio de física molecular que establece que los estados fundamentales espacialmente degenerados en general no son posibles: siempre habrá alguna deformación de la molécula, o alguna otra interacción, por pequeña que sea. que rompe la simetría del sistema y por lo tanto necesariamente baja la energía de al menos uno de los estados degenerados. Por lo tanto, afirman explícitamente que

Las deformaciones asimétricas de reflexión estables en el marco fijo del cuerpo se pueden atribuir a una interacción de multipolaridad impar que rompe la paridad que acopla estados intrínsecos de paridad opuesta.

Más adelante, señalan la causa de esta ruptura de la paridad en la interacción débil :

La violación de la paridad (en el marco del laboratorio) es causada por el componente no conservante de la paridad, V PNC , de la interacción débil. La magnitud de este efecto es del orden de α pags = GRAMO F metro π 2 / GRAMO S ∼ 10 − 7 , dónde GRAMO F es la constante de Fermi y GRAMO S es la constante de acoplamiento fuerte.

Si este es el caso, mi suposición natural es que un núcleo cuyo estado fundamental tiene forma de pera debe ser parte de un doblete casi degenerado (que proviene del estado fundamental degenerado original de las interacciones electromagnéticas y fuertes) separado por aproximadamente 10 − 7 de la brecha al siguiente estado excitado. El primer estado excitado 'débilmente' también tendría forma de pera y tendría la proyección

(vector de forma de pera) ⋅ (momento angular)
en dirección opuesta al estado fundamental. ¿Es correcta esta intuición?

Derecha. El túnel de la pera a la pera con paridad invertida es muy débil, una especie de efecto de túnel, y debido a esta debilidad exponencial, a veces compite con las violaciones pequeñas pero de "ley de potencia" de la paridad de las interacciones débiles. Entonces, estos últimos pueden rotar el estado propio de energía más baja a una superposición que está altamente desequilibrada en la pera y la pera invertida.
@LubošMotl Genial. Creo que entiendo la mayor parte de eso. (Sin embargo, no estoy muy seguro de lo que quiere decir con 'ley de potencia'). ¿Tiene una referencia buena y relativamente simple donde los físicos atómicos podamos ver cómo sucede esto?
Estimado Emilio, desafortunadamente, no puedo enumerar buenas referencias ahora (aunque es posible que las haya encontrado en algún momento en el pasado), sus artículos fueron muy útiles para eso. Por una "ley de potencia", solo quise decir que los elementos de la matriz del hamiltoniano entre pera y anti-pera aportados por la fuerza débil son proporcionales a una potencia del radio del núcleo, mientras que el túnel es como exp (- T) donde T es un "grosor de una barrera de potencial" por el que tienen que pasar algunos de los nucleones, y T crece con el radio nuclear.
Aunque la tunelización se debe fundamentalmente a la fuerza fuerte que es más fuerte que la fuerza débil, la supresión exponencial puede hacerla más débil que la fuerza débil. Una cosa a verificar es que la corrección de la fuerza débil sea lo suficientemente grande como para que la peralidad sea observable... Aparece una competencia similar para las desintegraciones alfa y beta. Beta es lento porque es la fuerza débil. Alfa se debe a la formación de túneles de partículas alfa, que es una fuerza fuerte, pero depende de alguna T exponencialmente, por lo que la vida útil de la descomposición alfa abarca un intervalo enorme que difiere en docenas de órdenes de magnitud.
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