Synthesis mechanism of superheavy element 120: a dinuclear system model approach with microscopic inputs

En utilisant des paramètres microscopiques dérivés de la théorie fonctionnelle de la densité covariante à température finie, ce papier applique le modèle du système dinucléaire pour reproduire avec succès les réactions de fusion existantes et prédire les sections efficaces maximales de synthèse pour l'élément 120 via quatre réactions spécifiques.

L'essentiel

🌌 La Chasse aux Éléments Super-Pesants : Une Recette pour l'Inconnu

Imaginez que l'univers est un immense supermarché rempli d'ingrédients chimiques (les éléments). Nous connaissons bien les étages inférieurs (le fer, l'or, l'uranium), mais il existe un étage secret, très haut, appelé l'"Île de la Stabilité". C'est là que se cachent des éléments super-lourds, très rares et très instables. Les scientifiques veulent y aller pour voir ce qui s'y passe, mais c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin... une botte de foin qui explose souvent avant même que vous ne la touchiez.

Cette étude, menée par des chercheurs chinois, est comme un guide de cuisine ultra-précis pour essayer de "cuire" un nouvel ingrédient : l'élément 120.

1. Le Problème : Mélanger des Recettes Différentes

Pour prédire comment fabriquer ces éléments, les scientifiques utilisent un modèle informatique appelé le modèle du système dinucléaire. Imaginez ce modèle comme une recette de gâteau.

• Le problème précédent : Jusqu'à présent, les scientifiques prenaient la farine d'un livre de cuisine, le sucre d'un autre, et les œufs d'un troisième. Cela fonctionnait parfois, mais les résultats n'étaient pas toujours cohérents.
• La nouvelle approche : Dans cette étude, les chercheurs ont décidé de tout faire eux-mêmes, de A à Z. Ils ont utilisé une seule et même "théorie fondamentale" (la théorie de la fonctionnelle de la densité covariante) pour générer tous les ingrédients de la recette. C'est comme si vous cultiviez vos propres légumes, éleviez vos propres vaches et mouliniez votre propre farine pour garantir que tout va bien ensemble.

2. La Méthode : Un Four à Température Contrôlée

Pour obtenir ces ingrédients parfaits, les chercheurs ont simulé des noyaux atomiques dans un "four" virtuel.

• L'analogie du four : Imaginez que vous chauffez une boule de pâte (le noyau atomique). À froid, elle est dure et garde sa forme. Quand vous chauffez, elle devient molle, change de forme et finit par fondre.
• Les chercheurs ont étudié comment ces "boules de pâte" se comportent à différentes températures. Ils ont mesuré à quel moment elles commencent à se fissurer (la barrière de fission) et combien d'énergie il faut pour les faire fondre.
• Grâce à cette simulation microscopique, ils ont pu calculer avec une grande précision les propriétés de ces éléments avant même de les fabriquer en laboratoire.

3. L'Expérience Virtuelle : Le Jeu de Billard Atomique

Une fois les ingrédients prêts, ils ont simulé l'expérience réelle : le bombardement.

• L'analogie du billard : Pour créer un élément lourd, on doit faire entrer en collision deux noyaux plus légers (comme deux boules de billard) à très grande vitesse.
  • Si on les tape trop doucement, ils ne se touchent pas.
  • Si on les tape trop fort, ils explosent en mille morceaux.
  • Il faut trouver le "juste milieu" (l'énergie optimale) pour qu'ils fusionnent et forment un nouveau noyau stable pendant une fraction de seconde.

Les chercheurs ont testé quatre combinaisons de "boules de billard" différentes pour essayer de créer l'élément 120 :

1. Titane + Californium
2. Vanadium + Berkelium
3. Chrome + Curium
4. Manganèse + Américium

4. Les Résultats : Quelle est la meilleure recette ?

Après des milliers de simulations, voici ce qu'ils ont découvert :

• Le grand gagnant : La combinaison Titane + Californium est la plus prometteuse. C'est comme si c'était la seule recette qui donnait un gâteau comestible. Ils prévoient qu'elle pourrait produire l'élément 120 avec une probabilité maximale (bien que cette probabilité soit encore infime, de l'ordre de quelques "femtobarns", ce qui est une unité de mesure extrêmement petite).
• Les autres tentatives : Les autres combinaisons (Vanadium, Chrome, Manganèse) fonctionnent aussi, mais sont beaucoup moins efficaces. C'est comme essayer de faire un gâteau avec des ingrédients de mauvaise qualité : ça peut marcher, mais le résultat sera très petit et difficile à obtenir.

5. Pourquoi est-ce important ?

Cette étude est cruciale car elle offre une boussole théorique aux expérimentateurs.

• Fabriquer un atome d'élément 120 coûte des millions d'euros et prend des années de travail dans des accélérateurs de particules géants (comme au CERN ou en Russie).
• Grâce à ce papier, les scientifiques savent exactement quelle combinaison d'atomes utiliser et à quelle vitesse les lancer pour maximiser leurs chances de succès.

En résumé

Ces chercheurs ont créé un simulateur de cuisine atomique ultra-réaliste. Au lieu de deviner, ils ont calculé précisément comment les ingrédients se comportent. Leur conclusion ? Si vous voulez créer l'élément 120, prenez du Titane et du Californium, chauffez-les à la température exacte de 41 MeV, et lancez-les l'un contre l'autre. C'est votre meilleure chance de toucher l'Île de la Stabilité !

Résumé technique

1. Problématique

La synthèse d'éléments superlourds (SHN), en particulier ceux situés au-delà de l'actuel élément 118 (Oganesson) vers les éléments 119 et 120, représente un défi majeur en physique nucléaire. Bien que le modèle en couches ait prédit l'existence d'une « île de stabilité », la production expérimentale de ces noyaux reste extrêmement difficile en raison de sections efficaces de réaction infimes et de processus compétitifs tels que la fission et le quasi-fission.

Le problème central abordé dans cet article réside dans la cohérence théorique des modèles de synthèse. Les modèles existants, comme le modèle du système dinucléaire (DNS), utilisent traditionnellement des paramètres d'entrée hétérogènes provenant de différentes théories (masses du modèle FRDM, barrières de fission du modèle macroscopique-microscopique, corrections de coquille de Strutinsky, etc.). Cette approche « patchwork » introduit des redondances et des incertitudes systématiques. L'objectif est donc de développer un cadre théorique auto-cohérent où tous les paramètres physiques essentiels sont générés à partir d'une seule théorie fondamentale microscopique.

2. Méthodologie

Les auteurs proposent une approche unifiée combinant le modèle du système dinucléaire (DNS) et la théorie de la fonctionnelle de la densité covariante à température finie (Finite-Temperature CDFT).

• Génération des paramètres d'entrée microscopiques :

  • Utilisation de la fonctionnelle de densité d'énergie PC-PK1 au sein du cadre CDFT.
  • Traitement des corrélations d'appariement via l'approche BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer).
  • Calcul des grandeurs physiques suivantes pour les noyaux composés (No, Fl, et 120) : énergies de séparation neutronique ($S_n$), barrières de fission ($B_f$), énergies de correction de coquille ($E_{sh}$), paramètres de densité de niveaux ($\tilde{a}$) et facteurs d'amortissement de coquille ($E_D$).
  • Ces calculs sont effectués sur des surfaces d'énergie libre dans le plan des déformations $(\beta_2, \gamma)$ à différentes températures.

• Modèle DNS :

  • Le modèle DNS est utilisé pour calculer les sections efficaces de synthèse ($\sigma_{ER}$).
  • La section efficace est décomposée en trois probabilités : la probabilité de capture ($T$), la probabilité de fusion ($P_{CN}$) et la probabilité de survie du noyau composé ($W_{sur}$).
  • Contrairement aux approches précédentes, les barrières de fission et les densités de niveaux utilisées dans les équations de taux d'évaporation et de fission proviennent directement des calculs CDFT à température finie, assurant une cohérence interne.

• Validation :

  • Le modèle est d'abord validé sur des systèmes expérimentaux connus :
    • Fusion froide : $^{48}\text{Ca} + ^{204,206-208}\text{Pb} \to ^{252,254-256}\text{No}^*$.
    • Fusion chaude : $^{48}\text{Ca} + ^{239,240,242,244}\text{Pu} \to ^{287,288,290,292}\text{Fl}^*$.

3. Résultats Clés

• Validation sur les éléments No et Fl :

  • Les calculs reproduisent avec succès les données expérimentales pour les isotopes de Nobelium (No) et de Flerovium (Fl).
  • Une légère divergence est observée aux énergies d'excitation élevées : les sections efficaces théoriques décroissent plus lentement que les données expérimentales. Les auteurs attribuent cela au fait que les barrières de fission issues du modèle microscopique s'estompent plus lentement avec l'augmentation de l'énergie d'excitation que ne le suggèrent les modèles phénoménologiques.
  • L'analyse des paramètres de densité de niveaux montre que la méthode basée sur la dérivée partielle de l'entropie ($a_3 = \frac{1}{2}\frac{\partial S}{\partial T}$) est la plus adaptée au modèle DNS.

• Prédiction pour l'élément 120 :

  • Quatre réactions de fusion chaude ont été étudiées pour synthétiser l'élément 120 :
    1. $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$
    2. $^{51}\text{V} + ^{249}\text{Bk}$
    3. $^{54}\text{Cr} + ^{248}\text{Cm}$
    4. $^{55}\text{Mn} + ^{243}\text{Am}$
  • Résultats des sections efficaces maximales ($\sigma_{ER}$) :
    • $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ : $\sigma_{ER} = 48.20$ fb (femtobarns) pour le canal $4n$ ($^{295}120$) à $E^*_{CN} = 41$ MeV. C'est la réaction la plus prometteuse.
    • $^{51}\text{V} + ^{249}\text{Bk}$ : $\sigma_{ER} = 12.33$ fb pour le canal $3n$ ($^{297}120$) à $E^*_{CN} = 34$ MeV.
    • $^{54}\text{Cr} + ^{248}\text{Cm}$ : $\sigma_{ER} = 5.25$ fb pour le canal $3n$ ($^{299}120$) à $E^*_{CN} = 32$ MeV.
    • $^{55}\text{Mn} + ^{243}\text{Am}$ : $\sigma_{ER} = 0.47$ fb pour le canal $5n$ ($^{293}120$) à $E^*_{CN} = 53$ MeV.

• Analyse des tendances :

  • Les sections efficaces diminuent drastiquement (d'un facteur ~100 entre le premier et le dernier cas) à mesure que le projectile devient plus lourd et plus symétrique par rapport à la cible. Cela s'explique par une probabilité de fusion réduite nécessitant un transfert de plus grand nombre de nucléons, augmentant la compétition avec le quasi-fission.

4. Contributions Principales

1. Unification théorique : Première application d'un cadre entièrement microscopique (CDFT + BCS) pour fournir tous les paramètres d'entrée du modèle DNS, éliminant le besoin de combiner des modèles théoriques disparates.
2. Prédictions quantitatives : Fourniture de prédictions précises pour les sections efficaces de synthèse de l'élément 120, identifiant $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ comme le système optimal parmi ceux étudiés.
3. Compréhension des mécanismes : Mise en évidence de l'impact critique de la dépendance thermique des barrières de fission sur la survie des noyaux composés à haute énergie d'excitation.

5. Signification et Perspectives

Ce travail offre une base théorique robuste et auto-cohérente pour guider les futures expériences de synthèse d'éléments superlourds. En identifiant $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ comme le canal le plus favorable avec une section efficace de près de 48 fb, l'étude fournit des cibles prioritaires pour les laboratoires internationaux (tels que GSI, JINR, RIKEN, IMP).

La méthodologie développée démontre que l'utilisation de la CDFT à température finie permet de capturer plus finement la physique des noyaux chauds et déformés. Bien que la décroissance lente des barrières de fission prédite par le modèle microscopique nécessite encore un ajustement par rapport aux données expérimentales à haute énergie, cette approche représente un pas significatif vers une description fondamentale et prédictive de la synthèse des éléments de la fin du tableau périodique.