Najcięższe znane pierwiastki można wytworzyć tylko w warunkach laboratoryjnych. Fizycy jądrowi od lat przesuwają granicę układu okresowego i starają się znaleźć optymalne reakcje prowadzące do syntezy nowych pierwiastków. Naukowcom z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) i Wydziału Fizyki UW udało się stworzyć nowy model teoretyczny, który opisuje kluczowy etap wytwarzania najcięższych jąder atomowych.

Pierwiastki superciężkie otrzymuje się w reakcjach fuzji jąder dwóch lżejszych pierwiastków. Jedną z metod ich uzyskiwania jest tzw. zimna synteza, w której przyspieszone w cyklotronie jądra stosunkowo lekkiego pierwiastka uderzają w tarczę wykonaną z ołowiu lub bizmutu. W wyniku zderzenia dwóch jąder atomowych powstaje silnie oddziałujący układ, który z pewnym prawdopodobieństwem, zwanym prawdopodobieństwem fuzji, może ulec połączeniu. Liczba atomowa powstałego obiektu jest równa sumie liczb atomowych jąder pocisku i tarczy. Obiekt taki, zaraz po wytworzeniu, jest „rozgrzany” – posiada nadwyżkę energii względem swojego stanu podstawowego. Dlatego nie jest stabilny i w bardzo krótkim czasie stara się „ostygnąć”, najczęściej na drodze rozpadu na mniejsze fragmenty lub poprzez emisję neutronów i promieniowania gamma. W reakcjach tzw. zimnej syntezy nadwyżka energii jest stosunkowo niska i powstały układ już po emisji jednego lub dwóch neutronów ostyga i osiąga stan końcowy. Powstałe w taki sposób nowe jądro atomowe w czasie 10^–14 s wychwytuje elektrony i tworzy atom, który jest gotowy do dalszych badań.

Z całego procesu syntezy najtrudniejszym do zbadania i opisania jest etap łączenia się dwóch jąder atomowych w jedną całość. Pomimo wielu lat badań, nie ma zgodności wśród naukowców co do tego, jaki jest mechanizm tego procesu. Zrozumienie tego etapu reakcji ma fundamentalne znaczenie dla syntezy nowych pierwiastków i poszerzenia granic układu okresowego. Dlatego naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Wydziału Fizyki UW postanowili stworzyć model teoretyczny, który wyjaśnia zmierzone prawdopodobieństwa fuzji oraz daje realistyczne przewidywania dla nietestowanych jeszcze reakcji syntezy.

„Podczas fuzji, kształt układu przechodzi ewolucję od konfiguracji dwóch stykających się jąder atomowych do jednego zwartego kształtu. Model, który stworzyliśmy, opisuje ten proces, bazując na schemacie błądzenia losowego w wielowymiarowej przestrzeni deformacji.” – opowiada Aleksander Augustyn, doktorant NCBJ pracujący nad tym zagadnieniem.

„W symulacjach, które przeprowadziliśmy, kluczowe okazało się uwzględnienie zmiennej dipolowej i opis ewolucji kształtu nie ze środka masy, tylko z układu odniesienia umieszczonego w punkcie styku jąder pocisku i tarczy. Pozwoliło to na opisanie szerokiej klasy kształtów, używając jednej parametryzacji.” – wyjaśnia dr Tomasz Cap, pierwszy autor opracowanego artykułu.

„Dzięki temu w symulacji procesu układ ma pełną swobodę ruchu i może wybrać najdogodniejsze ścieżki prowadzące do fuzji. Eksploracja wielowymiarowej przestrzeni jest jednak numerycznie kosztowna. Rachunki tego typu możliwe były dzięki zastosowaniu klastra obliczeniowego w Centrum Informatycznym Świerk” – dodaje Aleksander Augustyn.

„W obliczeniach uwzględniliśmy również efekty kwantowe, które są niezbędne do istnienia jąder superciężkich oraz wprowadziliśmy zależność od momentu pędu układu. W niecentralnych zderzeniach jąder pocisku i tarczy energia rotacji istotnie zmniejsza szanse syntezy. Uwzględnienie tych czynników poprawiło zgodność obliczeń z wynikami pomiarów.” – wskazuje prof. Krystyna Siwek Wilczyńska z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, współpracująca z zespołem NCBJ.

„Model jest na tyle obiecujący i efektywny, że planujemy zastosować go także do analizy procesu rozszczepienia oraz bardziej szczegółowej analizy ewolucji kształtu. Spodziewamy się, że już niedługo uda nam się za jego pomocą opisać procesy, takie jak szybkie, asymetryczne rozszczepienie na początku reakcji fuzji. Chcemy również wzbogacić nasz opis teoretyczny o możliwość emisji neutronów i lekkich cząstek naładowanych w trakcie błądzenia w wielowymiarowej przestrzeni deformacji. Takie podejście pozwoliłoby na jednoczesny opis procesów fuzji i schładzania, czego jeszcze nie udało się dokonać.” – Podsumowuje dr hab. Michał Kowal, kierownik zakładu teorii NCBJ.

Praca została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie Physical Review C w sekcji Listy i jest dostępna pod adresem: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.109.L061603

Krzysztof Petelczyc