Obliczenia wykonane przez polskich naukowców we współpracy z grupą uczonych z Dubnej (Rosja) pozwalają przewidywać z niedostępną dotąd dokładnością szanse wytworzenia nowych izotopów pierwiastków superciężkich. W pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Physics Letters B zaprezentowali oni najbardziej obiecujące kanały produkcji szerokiej gamy izotopów o liczbie atomowej od 112 do 118 w różnych konfiguracjach zderzeń jądrowych prowadzących do ich powstania. Przewidywania wydają się być wiarygodne, jako że potwierdzają je ze znakomitą zgodnością dane eksperymentalne dostępne dla procesów już przebadanych.

W pracy, która ukaże się w październikowym numerze prestiżowego czasopisma Physics Letters B międzynarodowy zespół pięciu naukowców zaprezentował nowe, niezwykle bogate i obiecujące wyniki przewidywań dla prawdopodobieństw (przekrojów czynnych) produkcji izotopów najcięższych pierwiastków o liczbach atomowych od 112 do 118. Obliczenia zostały przeprowadzone dla procesów fuzji indukowanej pociskami jądrowymi wapnia Ca-48 zgodnie z planami przyszłych eksperymentów. Polscy uczeni – prof. Michał Kowal, kierownik Zakładu Fizyki Teoretycznej Narodowego Centrum Badań Jądrowych i dr Piotr Jachimowicz z Uniwersytetu Zielonogórskiego – dostarczyli wyniki swoich rachunków uwzględniających niebrane do tej pory efekty, a mające ogromny wpływ na dokładność ostatecznie otrzymywanych wyników.

„Do tej pory, gdy liczono prawdopodobieństwa wytwarzania superciężkich izotopów, w ogóle nie brano pod uwagę efektów związanych z powłokowym charakterem punków siodłowych w rozszczepieniu jąder atomowych” – wyjaśnia prof. Kowal. „Wszyscy badacze zakładają brak efektów kwantowych dla tej kluczowej w procesie rozszczepienia konfiguracji jądrowej. My te efekty uwzględniliśmy, a co więcej podaliśmy przepis ich tłumienia wraz ze wzrostem temperatury tworzącego się superciężkiego układu jądrowego. Takie obliczenia nie były dotąd prezentowane nigdzie w literaturze.”

Aby uzyskać swój wynik uczeni posłużyli się metodą statystyczną, generując miliony stanów nad stanem podstawowym i wspominanym punktem siodłowym. Metodę i wyniki opisali szczegółowo w równolegle skierowanej do publikacji pracy. „Mając te wyniki można było dość prosto policzyć prawdopodobieństwo przetrwania jąder wytworzonych w wyniku konkretnego zderzenia pocisku i odpowiednio dobranej tarczy” – opowiada prof. Kowal. „Po prostu, korzystając z podstawowej definicji prawdopodobieństwa przetrwania jądra złożonego, właściwie bez stosowania przybliżeń, oszacowaliśmy współzawodnictwo rozszczepienia z rożnymi innymi kanałami rozpadu.”

Badając stabilność i analizując możliwe kanały rozpadu tworzonych jąder, badacze uwzględnili zarówno rozpady poprzez emisję neutronów, jak i protonów oraz cząstek alfa. Wyniki zaprezentowane w pracy bardzo dobrze zgadzają się z danymi uzyskanymi w przeprowadzonych już eksperymentach. Jednocześnie autorzy wskazują na najbardziej obiecujące kanały produkcji nowych, nie wytwarzanych dotąd izotopów, które mogłyby być wykorzystane w przyszłych planowanych eksperymentach. Rewelacyjna zgodność z istniejącymi funkcjami wzbudzania (prawdopodobieństwami syntezy jąder superciężkich) pozwala mieć zaufanie do zaprezentowanych prognoz i przewidywań. Szczególnie obiecujące dla niektórych kombinacji tarcza-pocisk okazują się być kanały z emisją jednego protonu lub jednej cząstki alfa. Ten wynik jest intrygujący, gdyż może prowadzić do zupełnie nowych, nieznanych dziś izotopów jąder superciężkich. Ponieważ zaproponowane kanały reakcji nie są nadmiernie egzotyczne, a raczej łatwo dostępne w eksperymencie, już wkrótce okaże się czy przewidywania uczonych co do możliwości produkcji tych nowych wyjątkowo ciężkich izotopów się potwierdzą.

Prace oryginalne są dostępne publicznie:

„Possibilities of direct production of superheavy nuclei with Z=112–118 in different evaporation channels”, J.Hong, G.G.Adamian, N.V.Antonenko, P.Jachimowicz, M.Kowal; Physics Letters B, Volume 809, 10 October 2020, 135760
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269320305633

"Level-density parameters in superheavy nuclei” A. Rahmatinejad, A. N. Bezbakh, T. M. Shneidman, G. Adamian, and N. V. Antonenko, P. Jachimowicz, M. Kowal
https://arxiv.org/pdf/2005.08685.pdf

Uzupełnienie: O współczesnej alchemii

Najcięższym pierwiastkiem występującym w postaci stabilnej w przyrodzie jest ołów. Jego jądro zawiera 82 protony (liczba atomowa Z=82), a sumaryczna liczba neutronów i protonów (liczba masowa A) w stabilnych izotopach ołowiu może wynosić 204, 206, 207 lub 208. Istnieją też niestabilne izotopy tego pierwiastka, które z charakterystycznym okresem półtrwania, rozpadają się na lżejsze fragmenty. Także pierwiastki lżejsze od ołowiu mogą posiadać izotopy niestabilne. Możliwe jest również naturalne powstanie lub sztuczne wytworzenie pierwiastków cięższych od ołowiu o niestabilnych izotopach. Powstają one w wyniku zderzenia dwóch lżejszych jąder. Do zderzeń takich może dochodzić np. w gwałtownych wybuchach obiektów astronomicznych, ale także w laboratoriach na Ziemi wyposażonych w akceleratory służące do rozpędzania i zderzania jąder i cząstek. Wiele niestabilnych nuklidów, których okresy półtrwania liczone są w latach, dniach lub minutach znalazło praktyczne zastosowanie w medycynie i technice. Nuklidy będące izotopami najcięższych zaobserwowanych pierwiastków stanowią przede wszystkim przedmiot zainteresowania uczonych. Poznawanie ich własności i możliwości wytwarzania pozwala na poszerzanie naszej wiedzy i zaspokajanie ciekawości, a dopiero w odległej, nieznanej jeszcze perspektywie, z pewnością – jak zawsze w historii nauki – będzie możliwe wykorzystanie zgromadzonej wiedzy do celów praktycznych. Pomoże też zrozumieć historię ewolucji Wszechświata, na którą miały wpływ procesy tworzenia się materii jądrowej.
Nasza wiedza podstawowa na temat procesów zachodzących na poziomie jąder atomowych nadal wymaga uzupełnienia. Ogromnym wyzwaniem jest też wykorzystanie zgromadzonej już wiedzy do przeprowadzenia obliczeń prowadzących do ustalenia prawdopodobieństw wytworzenia zadanych jąder, ich czasów życia i kanałów rozpadu, do znalezienia struktury poziomów ich wzbudzeń i ustalenia dopuszczalnych przejść pomiędzy nimi. Jest tak ze względu na ogromną złożoność układów, do których należałoby ją zastosować. Naukowcy tworzą więc modele, które upraszczają zadanie. Modele, oparte o zgromadzone już dane, prowadzą do nowych przewidywań. Przewidywania pozwalają na zaplanowanie najbardziej obiecujących eksperymentów, a dzięki ich wynikom można powtórnie zweryfikować modele i dopasować zestaw ich parametrów wyjściowych.
Ze zrozumiałych, po części emocjonalnych względów, szczególne zainteresowanie badaczy budzą jądra najcięższe. Wytworzenie i zaobserwowanie właściwości nowych superciężkich jąder jest przedmiotem swoistego wyścigu wielkich laboratoriów ulokowanych w USA, Niemczech, Rosji i Japonii. Najcięższym dotychczas wytworzonym pierwiastkiem jest oganeson o liczbie atomowej 118.

Informacje dodatkowe

Zakład Fizyki Teoretycznej NCBJ zajmuje się badaniami podstawowych składników materii oraz teoretycznym opisem fundamentalnych odziaływań pomiędzy nimi tak w skali mikro- jak i makro-świata. W Zakładzie prowadzone są prace z zakresu podstaw fizyki jądrowej (struktury i dynamiki) wysokich i niskich energii, w tym badania własności jąder ciężkich i superciężkich. Nasi naukowcy rozwijają też teorię cząstek elementarnych w tym modele supersymetryczne wychodzące poza dziś znany model standardowy oraz chromodynamikę kwantową badającą skład i odziaływanie nukleonów. W Zakładzie rozważane są także zagadnienia z zakresu fizyki zjawisk nieliniowych, fizyki plazmy oraz kondensatów atomowych. Kolejne dziedziny, w których prowadzone są prace to teoretyczna kosmologia i teorie grawitacyjne, a także teoria strun i jej implikacje.

Zdjęcie: Cyklotron DC-280 w Laboratorium Flerowa – Fabryce Superciężkich Pierwiastków w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej. Credit: JINR