Przewidywania dla ponad tysiąca najcięższych jąder atomowych

Fizycy teoretycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Uniwersytetu Zielonogórskiego wyznaczyli i podali niezwykle istotne parametry dla ponad 1300 jąder, w tym dla jąder pierwiastków superciężkich, które do tej pory nie zostały wytworzone w laboratoriach. Wyniki te zostały właśnie opublikowane w podstawowym czasopiśmie referencyjnym fizyki jądrowej: Atomic Data and Nuclear Data Tables.

Naukowcy w wielu ośrodkach na świecie nie ustają w dążeniach do wytworzenia i zbadania nowych pierwiastków oraz ich izotopów. Ten międzynarodowy wyścig ma na celu przede wszystkim poznanie nadal tajemniczych sił wiążących jądra atomowe. Badania koncentrują się równolegle na pracach eksperymentalnych wykorzystujących potężne akceleratory i detektory, jak i na pracach teoretycznych mających wskazać najbardziej obiecujące drogi poszukiwań i zaproponować modele, które będzie można potwierdzić lub odrzucić po konfrontacji z doświadczeniem. Polscy naukowcy od kilkudziesięciu lat specjalizują się właśnie w tego typu badaniach teoretycznych, stanowiąc światową czołówkę, czego dobitnym potwierdzeniem jest zaprezentowana właśnie niezwykle obszerna i kompletna praca.

Trzech polskich uczonych: dr Piotr Jachimowicz z Uniwersytetu Zielonogórskiego oraz Michał Kowal i Janusz Skalski profesorowie w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) oszacowali kluczowe parametry dla 1305 jąder ciężkich i superciężkich w zakresie liczby atomowej Z od 98 do 126 (a więc także dla pierwiastków jeszcze nie odkrytych) i dla liczby neutronów N od 134 do 192.

„Do naszych obliczeń wykorzystaliśmy wielowymiarowy mikroskopowo-makroskopowy model pozwalający wyznaczyć energię wiązania jąder atomowych” – tłumaczy dr Piotr Jachimowicz z UZ. „Dla stanów podstawowych oraz tzw. punktów siodłowych wyznaczyliśmy takie parametry jak: masy jądrowe, energie makroskopowe, poprawki powłokowe i deformacje jądrowe – czyli kształty jakie przybierają jądra w stanie podstawowym jak i w punkcie siodłowym. Z nich wyprowadziliśmy energie rozpadu alfa pomiędzy stanami podstawowymi, energie separacji jednego i dwóch nukleonów oraz statyczne, adiabatyczne wysokości barier rozszczepieniowych.”

„Systematyczne rachunki dla jąder nieparzystych, szczególnie ich barier rozszczepieniowych są bardzo rzadkie – nasza praca wypełnia tę lukę” – dodaje dr hab. Michał Kowal, Kierownik Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. „W przypadku układów z nieparzystą liczbą protonów, neutronów lub obu, używaliśmy standardowej metody BCS z blokowaniem. Kształty i energie w stanie podstawowym mogliśmy znaleźć poprzez minimalizację siedmiu odkształceń osiowo-symetrycznych. Poszukiwania punktów siodłowych przeprowadziliśmy metodą tzw. „zatapiania” w trzech kolejnych etapach, stosując wielowymiarowe przestrzenie deformacji, co wiązało się z potrzebą generowania gigantycznych sieci symulujących różne jądrowe kształty. W tym celu zaprzęgliśmy do obliczeń nasz superkomputer w Centrum Informatycznym w Świerku.”

Część wyników uzyskanych przez badaczy dotyczy parametrów już poznanych w eksperymencie i bardzo dobrze się z tymi danymi zgadza. Stanowi to potwierdzenie poprawności przeprowadzonej analizy i pozwala wierzyć, że wyznaczone wartości nieznanych dotąd parametrów są wiarygodne.

Uczeni podkreślają, że udało im się stworzyć jeden z najbardziej kompletnych zestawów danych dostępnych „na rynku”, niezbędny do analiz przekrojów czynnych, czyli prawdopodobieństw wytwarzania jąder superciężkich w poszczególnych kanałach syntezy. „Dokładność odtwarzania mas i innych wielkości wyznaczonych w analizowanym przez nas obszarze jest jedną z najlepszych pośród istniejących oszacowań” – dodaje dr hab. Janusz Skalski. „Wykorzystanie przez nas pięcio- i siedmiowymiarowych przestrzeni deformacji stanowi znaczący postęp w stosunku do innych obliczeń wykonywanych do tej pory. Przeprowadzona przez nas analiza jest też jedną z niewielu, które uwzględniają jądra nieparzyste, zwykle pomijane ze względu na trudności związane z traktowaniem nieparzystego nukleonu.”

Otrzymane wyniki nieprzypadkowo trafią do annałów Atomic Data and Nuclear Data Tables. Ich znaczenie nie ogranicza się bowiem tylko do eksperymentów mających na celu wytworzenie nowych nuklidów. „Wyznaczyliśmy parametry, których znajomość może mieć istotne znaczenie także i dla innych obszarów badań” – wyjaśnia dr hab. Michał Kowal. „Między innymi wyznaczyliśmy własności dla jąder z grupy aktynowców, ważne z punktu widzenia fizyki reaktorowej. Wyznaczone i podane w pracy parametry mogą zostać wykorzystane w analizach astrofizycznych i przewidywaniach dotyczących nukleosyntezy na poszczególnych etapach ewolucji Wszechświata.”

P. Jachimowicz, M. Kowal, J. Skalski

Properties of heaviest nuclei with 98 ≤ Z ≤ 126 and 134 ≤ N ≤ 192,  

Atomic Data and Nuclear Data Tables
(Available online 19 December 2020, 101393, in press).

https://doi.org/10.1016/j.adt.2020.101393

Do 7 lutego 2020 r. jest ona ogólnie dostępna online pod adresem https://authors.elsevier.com/a/1cGMz,26poewBO; później będzie dostępna w wersji drukowanej i dla subskrybentów czasopisma.