비상대론적 평균장 접근법을 이용한 Z 38~84 핵의 형태공존 섬 연구

초록

본 연구는 Skyrme‑SKI3 함수와 Hartree‑Fock‑Bogoliubov 이론을 이용해 Z = 38‑84 범위의 짝짝핵에서 입자‑홀(p‑h) 흥분 메커니즘에 기반한 형태공존(Shape Coexistence, SC) 섬을 탐색한다. 중성자‑유도 SC는 Z = 82·50 주변, 양성자‑유도 SC는 N = 90·60 주변에 나타나며, N = 40·Z = 40에서도 양쪽 모두가 동시에 관찰된다. 결과는 기존 DD‑ME2 기반의 공변밀도함수이론(CDFT)과 일치하면서도 새로운 인접 섬을 추가로 제시한다.

상세 분석

본 논문은 핵 구조 이론에서 가장 근본적인 현상 중 하나인 형태공존을 비상대론적 평균장(Hartree‑Fock‑Bogoliubov, HFB) 프레임워크 내에서 재조명한다. 핵심 가정은 입자‑홀(p‑h) 흥분이 핵의 단일입자 에너지 레벨이 페르미 에너지(E_F)와 상대적으로 이동하면서 발생한다는 점이다. 이를 검증하기 위해 저자들은 HFBTHO 코드를 이용해 Skyrme‑SKI3 함수와 혼합 부피‑표면 짝짓기 상호작용(V₀ = ‑300 MeV·fm³, α = 0.5)을 적용했으며, N_max = 20, β₂ = 0.3 등 충분히 큰 모델 스페이스와 수렴 기준을 설정하였다.

연구는 Z = 38‑84의 짝짝핵 전 범위에 대해 프로톤과 중성자 각각의 단일입자 스펙트럼을 페르미 면과 비교함으로써 “입자 → 홀” 혹은 “홀 → 입자” 전이가 일어나는 구간을 식별한다. 이러한 전이는 특정 중성자 수(N) 혹은 양성자 수(Z)에서 다중 p‑h 흥분(예: 2p‑2h, 6p‑6h 등)을 야기하며, 이는 곧 두 개 이상의 에너지 최소점이 거의 동일한 에너지에 존재하는 형태공존 현상으로 연결된다.

핵심 결과는 네 개의 주요 섬으로 요약된다. 첫째, Z = 82·50 주변에서는 중성자 수가 각각 N ≈ 104, 66인 midshell에서 프로톤 p‑h 흥분이 활발히 일어나 “중성자‑유도 SC”가 발생한다. 둘째, N = 90·60 주변에서는 양성자 수가 Z ≈ 66·38인 midshell에서 중성자 p‑h 흥분이 촉진돼 “양성자‑유도 SC”가 나타난다. 셋째, N = 40·Z = 40 부근에서는 양쪽 모두가 동시에 p‑h 전이를 보여 복합적인 SC가 관찰된다. 넷째, 기존 DD‑ME2 기반 CDFT 연구에서 보고된 섬들을 SKI3‑HFB 결과가 전반적으로 재현함으로써 p‑h 메커니즘의 강인함을 확인하고, 동시에 기존 섬의 주변에 새로운 SC 영역을 추가로 발견했다.

비교 분석에서는 특히 프로톤 1h₁₁/₂, 3s₁/₂, 2d₃/₂ 등과 중성자 1h₉/₂, 1g₉/₂ 등 핵 궤도들의 점유 확률 변화를 정량적으로 제시한다. 예를 들어, Z = 78‑82 구간에서 1h₁₁/₂(11/2