Microscopic quasifission dynamics of the ${}^{54}\text{Cr}+{}^{243}\text{Am}$ reaction

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "ديناميكيات الانشطار شبه المستقر المجهرية لتفاعل $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$":

1. بيان المشكلة

يواجه تخليق العناصر فائقة الثقل (SHEs) لما بعد الأوجانيسونون ($Z=118$)، وتحديداً العنصرين 119 و120، عقبة حرجة تتمثل في عملية الانشطار شبه المستقر (Quasifission - QF). في تفاعلات اندماج الأيونات الثقيلة، غالباً ما يعيد النظام ثنائي النواة المقتنص الانفصال إلى شظايا ثنائية قبل الوصول إلى نواة مركبة متزنة تماماً. تهيمن قناة الـ QF هذه على عملية الاندماج، مما يؤدي إلى خفض مقاطع عرض التبخر للمخلفات (evaporation-residue cross-sections) بشكل حاد إلى مستوى الفيمتوبارن أو أقل.

يعتبر نظام التفاعل $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$ مرشحاً رئيسياً لتخليق العنصر 119. ومع ذلك، فإن التنبؤ بالظروف التجريبية المثلى يمثل تحدياً لأن ديناميكيات الـ QF تحكمها تداخلات معقدة بين:

• درجات الحرية لقناة الدخول (طاقة التصادم، معامل التصادم).
• تشوه النواة وتوجه المتفاعلات.
• تأثيرات القشرة الكمومية (Quantum shell effects) في الشظايا الناشئة.
• عدم التماثل بين عدد النيوترونات والبروتونات.

تفتقر النماذج الماكروسكوبية الحالية غالباً إلى التفاصيل المجهرية المطلوبة لفك تشابك هذه العوامل، مما يستلزم نهجاً مجهرياً كاملاً لتوجيه التجارب المستقبلية في مرافق مثل HIRFL-CAFE المطور.

2. المنهجية

استخدم المؤلفون نظرية هارتري-فوك المعتمدة على الزمن (TDHF)، وهي إطار عمل مجهري كامل ومتسق ذاتياً، يعمل على تطوير دالة الموجة متعددة الأجسام النووية دون الحاجة إلى معاملات تفاعل تجريبية.

• دالة كثافة الطاقة: استخدمت الحسابات بارامتر Skyrme SLy5. ومن الأهمية بمكان أن المؤلفين طبقوا نسخة معدلة من كود Sky3D لتضمين كثافة موتر تيار السبين المربعة ($J^2$ terms) صراحةً، لضمان الاتساق مع دالة SLy5 التي غالباً ما تُهمل في التطبيقات القياسية.
• إعداد النظام:
  • النوى: قذيفة مشوهة $^{54}\text{Cr}$ ($\beta_{20} \approx 0.218$) وهدف $^{243}\text{Am}$ (تشوه معقد يتضمن مكونات $\beta_{30}$ و $\beta_{40}$، مما ينتج عنه شكل يشبه الكمثرى).
  • التكوينات الأولية: غطت المحاكاة المنهجية نطاقاً واسعاً من التوجهات الأولية:
    • القذيفة: طرفي (Tip) عند ($\theta_P = 0^\circ$) وجانبي (Side) عند ($\theta_P = 90^\circ$).
    • الهدف: تسعة توجهات (من $0^\circ$ إلى $180^\circ$ بخطوات قدرها $30^\circ$) لمراعاة كسر تناظر الانعكاس في الهدف.
  • نطاق الطاقة: امتدت المحاكاة عبر طاقات مركز الكتلة ($E_{c.m.}$) من أقل إلى أعلى بكثير من حاجز كولوم (200–350 ميجا إلكترون فولت).
• الديناميكيات: تم تتبع التطور حتى انفصال الشظايا (أكبر من 26 فيمتومتر). وشملت الملاحظات الرئيسية توزيعات كتلة وشحنة الشظايا، زوايا التشتت، وزمن التلامس (الذي عُرِّف بكثافة العنق $> 0.03 \text{ fm}^{-3}$).

3. المساهمات الرئيسية

• الآلية المجهرية لاعتماد التوجه: تقدم الدراسة أول رسم خرائط مجهري شامل لكيفية تحديد توجه القذيفة لمسار الـ QF في نظام $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$.
• ديناميكيات تأثير القشرة: توضح الانتقال بين الأنظمة المختلفة المدفوعة بالقشرة (المشوهة ثمانياً مقابل الكروية) كدالة للطاقة الساقطة.
• شذوذ زمن التلامس: تحدد الورقة علاقة غير بديهية بين انتقال النوكليونات وزمن التفاعل بالقرب من الأرقام السحرية، وتعزو ذلك إلى "صلابة" الشظايا المستقرة بفعل القشرة.
• استراتيجية تحسين الطاقة: تقترح طريقة لتحديد طاقات السقوط "المثلى" حيث يتم تقليل تأثيرات القشرة التي تثبط الاندماج.

4. النتائج الرئيسية

أ. اعتماد التوجه (طاقة ثابتة $E_{c.m.} = 251.9$ MeV)

• التصادمات الجانبية ($\theta_P = 90^\circ$): تهيمن هذه التصادمات على إجمالي عائد الـ QF. وتكون توزيعات الشظايا مدفوعة بقوة بتأثيرات القشرة:
  • تتراكم الشظايا الثقيلة حول الإغلاق القشري الكروي $Z=82$.
  • ترتكز الشظايا الخفيفة عند فجوة القشرة المشوهة في منطقة $N=52\text{--}56$.
  • زمن التلامس: مع اقتراب الشظية الثقيلة من $Z=82$، ينخفض أو يستقر متوسط زمن التلامس، وهو ما يخالف توقعات الانتشار الكلاسيكية (التي تتوقع أزمنة أطول لزيادة انتقال الكتلة). ويُعزى ذلك إلى الصلابة المعززة للشظية المستقرة قشرياً، مما يسرع من تمزق العنق.
• التصادمات الطرفية ($\theta_P = 0^\circ$): تظهر هذه التصادمات تأثيراً ضعيفاً جداً للقشرة. يكون انتقال النوكليونات فيها أقل، وتكون عوائد الشظايا مشتتة في المنطقة المتوسطة بين الإغلاقات القشرية وقمم المرونة شبه المرنة (quasielastic peaks).

ب. اعتماد الطاقة (تكوين الطرف-الطرف Tip-Tip)

تكشف الدراسة عن تطور معقد وغير خطي لديناميكيات الـ QF مع زيادة الطاقة:

1. الطاقة المنخفضة ($< 218$ ميجا إلكترون فولت): يهيمن عليها التشتت شبه المرن.
2. بالقرب من الحاجز ($218\text{--}226$ ميجا إلكترون فولت): زيادة حادة في انتقال النوكليونات.
3. الطاقة المتوسطة ($226\text{--}240$ ميجا إلكترون فولت): يحدث تحول حيث ينخفض انتقال النوكليونات.
4. نظام الاستقرار الثماني ($240\text{--}280$ ميجا إلكترون فولت): يستقر النظام حول $Z \approx 88$ و $N \approx 136$ (ما يقابل $^{224}\text{Ra}$)، مما يشير إلى الهيمنة بواسطة الفجوات القشرية الثمانية (octupole shell gaps).
5. الطاقة العالية ($> 280$ ميجا إلكترون فولت): ينتقل النظام إلى نظام مدفوع بالقشرة الكروية. تتحول الشظايا الثقيلة إلى $Z=82$ والخفيفة إلى $Z=36, N=52$. يشير هذا إلى أن التخميد الحراري عند طاقات الإثارة العالية يثبط التأثيرات الثمانية، مما يسمح للإغلاقات القشرية الكروية الأكثر قوة بالتحكم في الديناميكيات.

ج. تثبيط تأثير القشرة

من النتائج الحاسمة وجود نوافذ طاقة محددة (على سبيل المثال، حول $E_{c.m.} \approx 226$ ميجا إلكترون فولت لتصادمات الطرف-الطرف) حيث يبدو تأثير التوجيه الناتج عن القشرة مثبطاً. في هذه النوافذ، قد تكون المنافسة بين الـ QF والاندماج أكثر ملاءمة لعملية الاندماج.

5. الأهمية والاستنتاج

يُظهر هذا العمل أن ظهور تأثيرات القشرة في الـ QF ليس ظاهرة ثابتة، بل هو نتيجة ديناميكية حساسة لكل من الهندسة الأولية والطاقة الساقطة.

• التوجيه التجريبي: تشير النتائج إلى أنه يمكن تحسين تخليق العنصر 119 من خلال الاختيار الدقيق لطاقة السقوط لتجنب النوافذ التي تدفع فيها تأثيرات القشرة القوية (مثل الاستقرار الثماني عند $Z \approx 88$) النظام نحو QF سريع.
• الرؤية الاستراتيجية: من خلال العمل في نوافذ طاقة حيث يتم تثبيط تأثير القشرة، قد يتمكن التجريبيون من تقليل حاجز الـ QF، وبالتالي تعزيز احتمالية الاندماج وتحسين فرص اكتشاف عناصر جديدة فائقة الثقل.
• التقدم النظري: تثبت هذه الدراسة صلاحية TDHF كأداة تنبؤية لفك تشابك التداخل المعقد بين التشوه، التوجه، وتأثيرات القشرة الكمومية في تفاعلات الأيونات الثقيلة، مما يوفر خارطة طريق للتحقيقات المجهرية المستقبلية في تخليق العناصر فائقة الثقل.