Jądra superciężkie: między lądem a wyspą

Synteza pierwiastków superciężkich odbywa się w wyniku reakcji zderzeń ciężkich jonów. Powstałe jądro superciężkie może być zarówno silnie wzbudzone (gorące), jak i wzbudzone w niewielkim stopniu (zimne). Do tej pory brak było przykładów świadczących o tym, że oba scenariusze reakcji jądrowej mogą prowadzić do tych samych jąder końcowych. Opublikowana we wrześniu praca międzynarodowego zespołu naukowców z udziałem polskich fizyków, pokazuje, że taka sytuacja jest możliwa.

„Pokazaliśmy po raz pierwszy w jaki sposób można pogodzić ze sobą dwa do tej pory rozłączne scenariusze prowadzące do wytworzenia nowych pierwiastków superciężkich” – mówi profesor Michał Kowal z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. „Wyznaczyliśmy przekrój czynny, czyli prawdopodobieństwo przeprowadzenia syntezy gorącej z emisją kilku neutronów dla jądra pierwiastka kopernik 277Cn. Jądro takie zostało też wytworzone na drodze zimnej syntezy już 20 lat temu w laboratorium GSI w Darmstadt (Niemcy). Nasze obliczenia pokazują, że przekrój czynny na wytworzenie takiego jądra na alternatywnej drodze syntezy gorącej jest podobny do tego już zmierzonego w przypadku syntezy zimnej.”

Badaczy jąder superciężkich od lat intryguje też tzw. wyspa stabilności na mapie izotopów. Gdy znane izotopy umieścimy na płaszczyźnie liczby neutronów w jądrze (oś pozioma) i protonów (oś pionowa) to będą się one układały w okolicach lekko poniżej przekątnej, gdyż w najcięższych jądrach neutronów zwykle jest więcej. Stabilne izotopy to tylko centralne pasmo utworzonego „lądu”, a jego większość powierzchni stanowią znane izotopy promieniotwórcze. Ląd ten – stale odkrywany - kończy się obecnie przy liczbie 162 neutronów i 112 protonów. Dalej jest niewielka przerwa i pojawiają się kolejne poznane już nuklidy, które tworzą tzw. „wyspę stabilności” (choć nazwa może być myląca, gdyż izotopy z tej wyspy żyją jedynie ułamki sekund). Zarówno ląd jak i wyspa to odzwierciedlenie przede wszystkim naszych aktualnych możliwości eksperymentalnych. Tworząc układy eksperymentalne coraz precyzyjniej dobierające parametry zderzeń i budując detektory zdolne do zarejestrowania izotopów żyjących coraz krócej, fizycy powiększają obszary wyspy i lądu. W efekcie prowadzi do tego, że obszary te w tej chwili praktycznie się stykają. Jednak nadal obszary te różnią się mechanizmami produkcji nuklidów. Jądro ²⁷⁷Cn zgodnie z przewidywaniami autorów może być wytworzone zarówno w scenariuszu gorącej jak i zimnej syntezy. Nuklidy z wyspy, zostały wytworzone eksperymentalnie na drodze syntezy gorącej . Skrajne nuklidy z „lądu” to efekt syntezy zimnej (tak wytworzono właśnie ²⁷⁷Cn). Pokazanie, że jądra graniczne można wytworzyć na różne sposoby jest bardzo ciekawą obserwacją pomagająca zrozumieć mechanizm wiązania nukleonów w jądrach, oraz procesy ich rozpadów.

W poszukiwaniu jąder leżących na granicy lądu i wyspy pomagają obliczenia teoretyczne. Wskazują one, jak powinny być przygotowane najlepiej rokujące eksperymenty. Dużą pomocą dla badaczy tego obszaru fizyki są tablice wielu podstawowych własności jądrowych, w tym mas jądrowych i barier rozszczepieniowych, opublikowane rok temu przez polskich fizyków: dr. Piotra Jachimowicza z Uniwersytetu Zielonogórskiego oraz profesorów Michała Kowala i Janusza Skalskiego z NCBJ. W oparciu o te wyniki, a także używając modelu fuzji rozwijanego przez profesorów Adamiana i Antonenko z Dubnej, ten sam międzynarodowy zespół przebadał kolejne jądra znajdujące się na granicy obu obszarów. Najciekawszym z nich jest darmsztad 280.

„Zaobserwowaliśmy, że krytycznym parametrem, dzięki któremu pojawia się granica oddzielająca od siebie ląd i wyspę, jest bariera rozszczepieniowa chroniąca układ przed dezintegracją w tym rozpadzie” - wyjaśnia profesor Kowal. „Na lądzie i na wyspie te bariery przeciwdziałają rozszczepieniu, a nadmiar energii wzbudzonego układu jądrowego powstałego w wyniku zderzenia pocisku i tarczy usuwany jest poprzez emisję jednego, dwu lub więcej neutronów. Jednak na obszarze granicznym bariery te są wyjątkowo niskie i tam żaden neutron nie ma najmniejszych szans by wygrać konkurencję z procesem rozszczepienia.”

Zbadanie scenariuszy tworzenia superciężkich pierwiastków ma duże znaczenie z punktu widzenia przygotowywanych eksperymentów. Obliczenia naukowców wskazują, że dla łatwo dostępnych kombinacji pocisk – tarcza, przekrój czynny na reakcję syntezy gorącej, choć wciąż mały, mieści się w obszarze dostępnym dla współczesnych modernizowanych akceleratorów rozpędzających pociski do zderzenia i detektorów obserwujących produkty reakcji.

Prace oryginalne:

Hot and cold fusion reactions leading to the same superheavy evaporation residue, Hong, J. et al.; European Physical Journal A, 2022, 58(9), 180; DOI 10.1140/epja/s10050-022-00826-3

Isthmus connecting mainland and island of stability of superheavy nuclei, Hong, J. et al.; Physical Review C, 2022, 106(1), 014614; DOI 10.1103/PhysRevC.106.014614