Wykonane obliczenia pozwalają przewidywać z niedostępną dotąd dokładnością szanse wytworzenia nowych izotopów pierwiastków superciężkich. W pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie Physics Letters B zaprezentowano 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.

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.  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. 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

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

Klasteryzacja jądrowa jest jednym z najbardziej zagadkowych zjawisk w fizyce subatomowej. Liczne przykłady takich struktur obejmują stan podstawowy jądra ¹¹Li z halo dwóch neutronów i słynny rezonans Hoyle’a w ¹²C, który odgrywa istotną rolę w syntezie cięższych pierwiastków w gwiazdach. Powszechność występowania wąskich rezonansów w pobliżu progu emisji cząstek sugeruje, że jest to ogólne zjawisko w każdym otwartym układzie kwantowym, w którym związane i niezwiązane stany silnie się mieszają, co skutkuje pojawianiem się kolektywnego stanu o cechach pobliskiego kanału rozpadu. Nowym spektakularnym przykładem tego zjawiska jest emisja protonu opóźnionego rozpadem ß^– ze słabo związanego stanu podstawowego jądra ¹¹Be. Badania w modelu powłokowym zanurzonym w kontinuum (SMEC) sugerują istnienie kolektywnego rezonansu J^𝜋 = 1/2⁺ w ¹¹B, który posiada wiele cech pobliskiego kanału z emisją protonu, co wyjaśnia ten zagadkowy rozpad. Bliskość progów emisji protonu i trytu sugeruje, że ten rezonans może również zawierać domieszkę klastra ³H. Aby wyjaśnić naturę tego hipotetycznego rezonansu 1/2⁺, konieczne będzie badanie reakcji ¹⁰Be(p,p)¹⁰Be.

Wąski rezonans 5/2⁺ w ¹¹B przy 11.600 (20) MeV, który leży nieco powyżej progu emisji neutronów i rozpada się w wyniku emisji neutronu lub cząstki α, ma decydujący wpływ na ogromną wartość przekroju czynnego na wychwyt radiacyjny neutronu przez jądro ¹⁰B. Sugeruje to, że funkcja falowa tego rezonansu jest silnie zmodyfikowana przez sprzężenie z pobliskim kanałem emisji neutronów. Rzeczywiście, w obliczeniach SMEC w pobliżu progu emisji neutronu występuje stan 5/2₆⁺, który silnie sprzęga się w fali cząstkowej L = 2 do kanału [¹⁰B(3⁺) + n] 5/2⁺. Wyznaczona teoretycznie kolektywizacja dla tego stanu jest ~110 keV powyżej progu na emisję neutronu, blisko eksperymentalnej energii stanu 5/2⁺. W przyszłości, aby wyjaśnić wpływ wirtualnego stanu neutronowego na przekrój czynny ¹⁰B(n,𝛾)¹¹B, konieczne będą badania reakcji ¹⁰Be(d,p)¹¹B.

J.Okołowicz, M.Płoszajczak, W.Nazarewicz

Convenient location of a near-threshold proton-emitting resonance in 11Be

Physical Review Letters 124, 042502 (2020)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.042502

Precyzyjne badania siły trójnukleonowej układów kilku nukleonów prowadzone przy energiach poniżej progu na produkcję pionów pozwalają na precyzyjne testowanie potencjałów oddziaływania jądrowego. W przypadku układu trzech nukleonów przewidywane są istotne efekty dynamiki wykraczającej poza oddziaływanie między parami nukleonów – tak zwanej siły trójnukleonowej (3 Nucleon Force, 3NF). Eksperymenty prowadzone z wykorzystaniem układów detektorów o akceptancji bliskiej 4π dostarczają danych dla reakcji rozbicia deuteronu w zderzeniu z protonem w różnych konfiguracjach kinematycznych stanu końcowego. Bogactwo danych dla różniczkowych przekrojów czynnych pozwala określić wpływ 3NF, ale również testować podejście Badania teoretyczne do uwzględnienia odpychania kulombowskiego między protonami w stanie końcowym i prześledzić efekty relatywistyczne. Pomiary tej reakcji z wykorzystaniem detektora WASA@COSY zostały przeprowadzone w górnym zakresie interesujących energii wiązki deuteronowej, 150-200 MeV/nukleon. Pierwszy zestaw wyników pokazuje, że nawet przy tak wysokich energiach przekrój czynny dla konfiguracji, w których protony wylatują „blisko siebie” (z małym pędem względnym), jest zdominowany przez odpychanie kulombowskie między protonami. W innych obszarach obserwujemy efekty 3NF, jednak są również przypadki, gdy wszystkie przewidywania teoretyczne, niezależnie od modelu, leżą poniżej danych eksperymentalnych. Obliczenia relatywistyczne, na razie prowadzone bez uwzględnienia 3NF, również nie poprawiają opisu. Konfrontacja z wynikami uzyskanymi z wykorzystaniem detektora BINA@KVI przy dwukrotnie niższej energii, 80 MeV/nukleon, wskazuje na  odstępstwa o podobnym charakterze i w podobnym obszarze przestrzeni fazowej, podczas gdy wcześniejsze pomiary  dla energii 65 MeV/nukleon były bardzo dobrze opisywane przez obliczenia uwzględniające 3NF i odpychanie kulombowskie. Źródło tej niezgodności pozostaje zagadką: czy obecne modele 3NF są niedoskonałe, czy też problem polega na zaniedbaniu efektów relatywistycznych? Postęp obliczeń teoretycznych oraz kontynuacja badań w pośrednim obszarze energii z wykorzystaniem detektora BINA w CCB mogą przybliżyć rozwiązanie tego problemu

B.Kłos (M. Berłowski, I.Ciepał, E.Czerwiński, L.Jarczyk, B. Kamys,  St.Kistryn, W.Krzemień, P.Kulessa, A.Kupść, A.Magiera, P.Moskal, W.Parol, D.Pszczel, K.Pysz, M.Skurzok, J.Smyrski, J.Stepaniak, E.Stephan, A.Szczurek, A.Trzciński, A.Wrońska, J.Zabierowski, M.J.Zieliński, P.Żuprański, J.Golak, A.Kozela R.Skibiński, I.Skwira-Chalot, A.Wilczek, H.Witała),  WASA@COSY collaboration at al.

Three-nucleon dynamics in dp breakup collisions using the WASA detector at COSY-Jülich

Physical Review C 101, 044001 (2020)

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.101.044001

 W.Parol, A.Kozela( K.Bodek, J.Golak, St.Kistryn, B.Kłos, J.Kuboś, P. Kulessa, A. Łobejko, A.Magiera, R.Skibiński, I.Skwira-Chalot, E.Stephan, D.Rozpędzik, A.Wilczek, H.Witała, B.Włoch, A.Wrońska, J.Zejma) et al.

Measurement of differential cross sections for deuteron-proton breakup reaction at 160 MeV

arXiv:2004.02651