The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

Auf der Suche nach dem Verständnis der eigentlichen Grenzen der Materie versuchen Kernphysiker ständig, die schwerstmöglichen Atome zu bauen. Diese superschweren Elemente existieren nicht in der Natur; sie müssen in einem Labor erzeugt werden, indem zwei leichtere Atomkerne mit unglaublicher Geschwindigkeit zusammengestoßen werden. Wenn diese kollidieren, verschmelzen sie manchmal zu einem einzigen, massiven und hoch angeregten Kern. Diese Neukreation ist instabil, wie ein Kreisel, der auf einem Tisch eiert, und sie muss schnell abkühlen, um zu überleben. Dies geschieht, indem sie winzige Teilchen, speziell Neutronen, aussendet, um ihre überschüssige Energie loszuwerden. Wenn es ihr schafft, abzukühlen, ohne auseinanderzubrechen, wird es zu einem neuen, schwereren Element. Die Chancen, dass dies geschieht, sind jedoch verschwindend gering. Der Kern kämpft ständig einen Kampf zwischen zwei Kräften: dem Wunsch, durch das Ausstoßen von Neutronen abzukühlen, und dem überwältigenden Drang, in zwei Teile zu zerfallen, einem Prozess, der als Spaltung bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen der Erzeugung eines neuen Elements und dem Beobachten seines Verschwindens in einem Bruchteil einer Sekunde liegt oft an einem Bruchteil einer Sekunde und einer winzigen Menge an Energie.

Ein Forschungsteam aus Usbekistan hat einen frischen Blick darauf geworfen, wie dieser Abkühlungskampf abläuft, speziell für eine Reaktion, die ein Isotop des Elements Flerovium erzeugt. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Kollision: einen Strahl von Calcium-48-Atomen, der auf ein Plutonium-244-Target trifft. Diese Reaktion ist eine der zuverlässigsten Methoden, die Wissenschaftlern derzeit zur Verfügung steht, um superschwere Kerne herzustellen, doch genau vorherzusagen, wie viele dieser neuen Atome erzeugt werden, blieb eine schwierige Herausforderung. Die Forscher fanden heraus, dass die Standardmethode, mit der Wissenschaftler diese Wahrscheinlichkeiten seit Jahrzehnten berechnet haben, ein entscheidendes Puzzleteil fehlte. Indem sie die Art und Weise, wie sie den Abkühlungsprozess modellierten, änderten, entdeckten sie, dass die alten Methoden die Chancen auf Überleben für bestimmte Ergebnisse signifikant unterschätzten, was offenbarte, dass die Beziehung zwischen der Anzahl der ausgestoßenen Neutronen und dem Risiko des Aufspaltens des Kerns weitaill viel enger miteinander verknüpft ist als bisher angenommen.

Die Studie konzentriert sich auf einen spezifischen Moment im Leben eines superschweren Kerns. Nachdem die initiale Kollision von Calcium und Plutonium fusioniert ist, ist der resultierende Kern heiß und rotiert. Er muss Energie abgeben, um zu überleben. Dies tut er, indem er nacheinander Neutronen emittiert. Bei jedem einzelnen Schritt dieses Abkühlungsprozesses steht der Kern vor einer Wahl: Er kann ein weiteres Neutron aussenden und den nächsten Schritt erleben, oder er kann auseinanderbrechen und sterben. In der Vergangenheit berechneten Wissenschaftler die Wahrscheinlichkeit dieses Überlebens, indem sie diese beiden Entscheidungen als getrennte Ereignisse behandelten. Sie schätzten zuerst, wie viele Neutronen der Kern im Durchschnitt wahrscheinlich wegwerfen würde, und berechneten dann separat die Chance, dass er bei jedem Schritt entlang dieses Durchschnittspfades spaltet. Es war eine Methode, die davon ausging, dass der Kern einem einzigen, vorhersehbaren Pfad folgt.

Diese neue Forschung stellt diese Trennung in Frage. Die Autoren argumentieren, dass der Kern nicht einem einzigen durchschnittlichen Pfad folgt. Stattdessen folgt jeder Kern in dem Experiment seinem eigenen, einzigartigen Pfad, wobei er unterschiedliche Mengen an Energie zu unterschiedlichen Zeiten verliert. Einige Kerne verlieren Energie schnell und werden früh kalt; andere bleiben länger heiß. Das Risiko der Spaltung ist am höchsten, wenn der Kern heiß ist. Daher sind die Kerne, die lange genug überleben, um mehrere Neutronen zu emittieren, nicht die „durchschnittlichen“ heißen Kerne; es sind diejenigen, die es geschafft haben, kühler zu bleiben als der Durchschnitt. Indem sie die Anzahl der Neutronen und das Risiko der Spaltung als unabhängige Variablen behandelten, übersah die alte Methode diesen subtilen Filtereffekt. Sie ging davon aus, dass die Überlebenden genauso heiß waren wie der Durchschnitt, während die Überlebenden in Wirklichkeit die glücklichen, kühleren Exemplare waren.

Um diese Idee zu testen, entwickelten die Forscher ein neues Computermodell, das die gesamte Population von Kernen verfolgt, nicht nur einen Durchschnitt. Sie simulierten die Kollision und folgten tausenden individuellen Kernen während ihrer Abkühlung, wobei sie jedem Kern erlaubten, seine eigenen Entscheidungen darüber zu treffen, ob er ein Neutron emittiert oder spaltet. Dieser „gekoppelte“ Ansatz bedeutete, dass die Anzahl der emittierten Neutronen und der Wettbewerb mit der Spaltung simultan für jeden Kern basierend auf seiner tatsächlichen Energie in diesem Moment bestimmt wurden. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Für die spezifische Reaktion, die sie untersuchten, zeigte die neue Methode, dass die Chance, ein spezifisches Flerovium-Atom zu erzeugen (gebildet durch die Emission von drei Neutronen), viel höher war, als die alte Methode vorhersagte. Bei bestimmten Energieniveaus zeigte die neue Berechnung eine Überlebenswahrscheinlichkeit, die siebzehn- bis vierundzwanzigmal größer war als die traditionelle Schätzung.

Dieser massive Unterschied bedeutete nicht, dass die Gesamtzahl der erzeugten Atome falsch war, sondern vielmehr, dass die Verteilung der verschiedenen Arten von Atomen es war. Die alte Methode war nicht nur ein wenig daneben; sie beurteilte die relative Stärke verschiedener Ergebnisse falsch. Sie unterschätzte die Wahrscheinlichkeit des Drei-Neutronen-Ergebnisses, während sie einen viel geringeren Effekt auf das Vier-Neutronen-Ergebnis hatte. Dies deutet darauf darauf hin, dass die Kopplung zwischen Abkühlung und Spaltung der Schlüssel dazu ist, zu verstehen, warum manche Reaktionen mehr von einem Isotop als von einem anderen produzieren. Die Forscher fanden auch heraus, dass die exakte Höhe der Energiebarriere, die den Kern zusammenhält, entscheidend ist. Sie testeten zwei verschiedene Wege, die Barriere zu berechnen, die sich um weniger als eine Million Elektronenvolt unterschieden – eine winzige Menge in der Welt der Kernphysik. Dennoch änderte dieser winzige Unterschied die vorhergesagte Überlebenswahrscheinlichkeit um mehr als das Zehnfache. Dies unterstreicht, dass, obwohl die neue Methode zur Verfolgung des Abkühlungsprozesses eine große Verbesserung darstellt, die größte verbleibende Unsicherheit in der präzisen Kenntnis der Kräfte liegt, die diese superschweren Kerne zusammenhalten.

Das Team verglich seine neuen Berechnungen mit realen experimentellen Daten, die über die letzten zwei Jahrzehnte aus Laboren in Russland, Deutschland und den USA gesammelt wurden. Ihr neues Modell, das die verbundene Natur von Abkühlung und Spaltung berücksichtigt, konnte acht der vierzehn gemessenen Datenpunkte innerhalb eines Faktors von zwei erfolgreich reproduzieren. Dies ist eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit für ein so komplexes System. Obwohl das Modell immer noch Schwierigkeiten hatte, die Daten auf der ansteigenden Flanke der Energiekurve und bei sehr hohen Energien perfekt abzubilden, lieferte es ein viel klareres Bild des Prozesses als bisherige Versuche. Die Arbeit zeigt, dass Wissenschaftler, um die Erzeugung von superschweren Elementen wirklich vorherzusagen, damit aufhören müssen, den Abkühlungsprozess als einfachen, linearen Durchschnitt zu behandeln, und statfangen müssen, die komplexen, individuellen Reisen jedes einzelnen Kerns zu berücksichtigen.

Letztendlich verfeinert diese Studie nicht nur eine Zahl; sie verändert das Verständnis des Mechanismus selbst. Sie zeigt, dass das Überleben eines superschweren Kerns keine Frage einfacher Statistiken angewandt auf einen durchschnittlichen Pfad ist, sondern ein komplexer Filterprozess, bei dem die Überlebenden eine spezifische, kühlere Untergruppe der ursprünglichen Population darstellen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass ihr neuer Weg zwar ein mächtiges Werkzeug ist, der Weg nach vorne jedoch eine noch präzisere Kenntnis der wirkenden Kernkräfte erfordert. Bis die exakte Stärke der Spaltungsbarriere mit größerer Gewissheit bekannt ist, werden Vorhersagen darüber, wie viele neue Elemente erzeugt werden können, begrenzt bleiben, egal wie ausgeklügelt das Computermodell auch sein mag. Die Arbeit steht als Erinnerung daran, dass in der subatomaren Welt die Details darüber, wie Dinge geschehen, genauso wichtig sind wie das Endergebnis selbst.