Naukowcy z NCBJ i UW opublikowali pracę, w której wyjaśniają, od czego zależy powodzenie syntezy jąder najcięższych pierwiastków w reakcjach fuzji. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że dramatyczny spadek prawdopodobieństwa syntezy wraz ze wzrostem liczby atomowej tworzonego jądra da się wyjaśnić, zakładając, że fuzja następuje w procesie dyfuzji.

Pierwiastki superciężkie o liczbach atomowych większych niż 103 nie występują w naturze. Mogą być wytwarzane w laboratorium w wyniku fuzji dwóch lżejszych jąder. Jedną z metod wytwarzania jest tzw. zimna synteza, w której przyspieszone w cyklotronie jądra stosunkowo lekkiego pierwiastka uderzają w tarczę wykonaną z ołowiu lub bizmutu. W wyniku zderzeń jąder pocisku i tarczy powstaje silnie oddziałujący układ, który z pewnym prawdopodobieństwem, zwanym prawdopodobieństwem fuzji, może ulec połączeniu. Nowo powstałe jądro o liczbie atomowej równej sumie liczb atomowych jąder pocisku i tarczy nazywamy jądrem złożonym. Układ taki zaraz po wytworzeniu jest „rozgrzany” - posiada nadwyżkę energii względem swojego stanu podstawowego i nie jest stabilny. W bardzo krótkim czasie taki układ wyzbywa się nadwyżki energii na drodze trzech konkurujących procesów: rozszczepienia, emisji neutronów i promieniowania gamma, przy czym rozszczepienie jest procesem dominującym. Określenie „zimna synteza” oznacza, że utworzone w takiej reakcji jądra pierwiastków superciężkich nie są zbyt silnie wzbudzone (mają niską temperaturę), co zwiększa ich szansę na przeżycie. W procesie schładzania emitują one zaledwie jeden lub dwa neutrony i promieniowanie gamma. W reakcjach „zimnej syntezy” wytworzono jak dotąd, jądra pierwiastków superciężkich o liczbach atomowych od 104 do 113.

Proces „zimnej syntezy” można podzielić na trzy etapy. W pierwszym etapie jądro pocisku musi odpowiednio zbliżyć się do jądra tarczy, pokonując barierę odpychania ładunkowego (oba jądra są dodatnio naładowane). Kolejny etap to połączenie się obu jąder i utworzenie wzbudzonego jądra złożonego. Ostatni etap to wyzbywanie się nadwyżki energii i przejście do stanu końcowego. Najtrudniejszym do analizy i opisu w syntezie jąder pierwiastków superciężkich jest przebieg etapu pośredniego, czyli procesu fuzji. Pomimo wielu lat badań, nie ma zgodności wśród naukowców, co do tego, jaki jest jego mechanizm.

Dane eksperymentalne dla reakcji „zimnej syntezy” pokazują, że przekrój czynny na produkcję jąder pierwiastków superciężkich (miara prawdopodobieństwa wytworzenia) spada aż o sześć rzędów wielkości wraz ze zmianą jądra pocisku z tytanu o liczbie atomowej 22 na cynk o liczbie atomowej 30. Autorzy pracy, która dziś została opublikowana na łamach czasopisma Physical Review C – Letters (https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevC.105.L051601) przekonują, że za ten dramatyczny spadek przekroju czynnego odpowiedzialny jest etap pośredni reakcji. „Pokazaliśmy, że eksperymentalnie wyznaczone prawdopodobieństwa fuzji dla trzech reakcji „zimnej syntezy” można dobrze opisać, zakładając, że proces łączenia się jąder pocisku i tarczy zachodzi na drodze dyfuzji przez barierę oddzielającą punkt styku jąder od konfiguracji jądra złożonego” – informuje prof. Krystyna Siwek-Wilczyńska z wydziału fizyki uniwersytetu Warszawskiego, współautorka pracy. „W obliczeniach posłużyliśmy się modelem, w którym prawdopodobieństwo fuzji wyznacza się, rozwiązując równanie dyfuzji Smoluchowskiego przy odpowiednio założonym kształcie bariery. Podejście to, jak się okazało, daje fizyczny i bardzo intuicyjny obraz procesu.”

Prawdopodobieństwo fuzji dla danej reakcji nie jest wielkością stałą, lecz zmienia się wraz z dostępną energią. „Od energii progowej reakcji do energii trochę przekraczającej wysokość bariery kulombowskiej prawdopodobieństwo fuzji szybko rośnie” – wyjaśnia współautor pracy, dr Tomasz Cap z Zakładu Fizyki Teoretycznej Narodowego Centrum Badań Jadrowych (NCBJ). „Dla wyższych energii prawdopodobieństwo to osiąga w przybliżeniu stałą wartość”. Kluczowe dla zrozumienia zachowania się prawdopodobieństwa fuzji okazało się uwzględnienie w użytym modelu momentu pędu, jaki układ uzyskuje w trakcie reakcji. „Stwierdziliśmy, że powodzenie fuzji zależy od dwóch przeciwstawnych efektów” – mówi trzeci współautor, dr hab. Michał Kowal z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. „Z jednej strony, wraz ze wzrostem dostępnej energii proces dyfuzji zaczyna się na coraz mniejszych odległościach pomiędzy jądrami pocisku i tarczy co zwiększa szansę na sukces. Z drugiej strony rośnie wtedy wkład od wyższych fal parcjalnych, co podnosi barierę fuzyjną i prowadzi do spadku prawdopodobieństwa fuzji. Współgranie tych dwóch efektów określa optymalne warunki zajścia fuzji.”

Autorzy pracy pokazali, że zaproponowany model reakcji może odtworzyć obserwowane wartości przekrojów czynnych na wytworzenie jąder najcięższych pierwiastków. Wyjaśnienie eksperymentalnie wyznaczonych prawdopodobieństw fuzji jest istotnym krokiem w zrozumieniu zjawiska wzbronienia występującego w reakcjach syntezy jąder pierwiastków superciężkich. „Zrozumienie zjawiska wzbronienia fuzji jest kluczowe w wyborze optymalnych kombinacji pocisk-tarcza dla reakcji syntezy nowych pierwiastków o liczbach atomowych powyżej 118” – podsumowuje dr hab. Michał Kowal.

Rysunek z pracy: Prawdopodobieństwo fuzji P_fus(l) jako funkcja temperatury T i wysokości bariery H(l) dla różnych wartość momentu pędu l (0, 20, 40 i 60 ℏ). Obliczenia dla trzech pocisków: ⁴⁸Ca (kolor zielony), ⁵⁰Ti (niebieski), ⁵⁴Cr (czerwony) oddziałujących z jądrami ²⁰⁸Pb. Kolor powierzchni obrazuje zmianę temperatury układu.