Theoretical estimates for the synthesis of $Z=119$ superheavy nuclei with Ca, Ti, V, and Cr projectiles: effects of reaction $Q$ values and mass-model dependence

Cette étude théorique estime les sections efficaces de synthèse des noyaux superlourds de numéro atomique Z=119 via des réactions de fusion impliquant des projectiles Ca, Ti, V et Cr, en démontrant que ces probabilités sont déterminées par la relation entre la valeur Q de la réaction et la hauteur de la barrière coulombienne, ainsi que par les incertitudes des modèles de masse nucléaire qui influencent fortement la probabilité de survie.

L'essentiel

🧪 La Chasse aux Éléments Super-Lourds : Un Voyage vers l'Inconnu

Imaginez que le tableau périodique des éléments (ce grand tableau que vous avez vu en chimie) est une ville. Nous avons construit tous les immeubles jusqu'à l'étage 118. Maintenant, les scientifiques veulent construire les étages 119 et au-delà. C'est là que commence l'aventure de cette étude.

Le problème ? Ces nouveaux "immeubles" (les noyaux atomiques) sont extrêmement instables. Ils s'effondrent presque instantanément. Pour les créer, il faut les "construire" en percutant violemment deux autres atomes l'un contre l'autre dans un accélérateur de particules.

Les auteurs de ce papier, des physiciens japonais, se demandent : Quelle est la meilleure façon de construire l'élément 119 ?

🚗 L'Analogie de la Voiture et de la Montagne

Pour comprendre leur travail, imaginons que nous voulons faire passer une voiture (le projectile) par-dessus une grande montagne (la barrière de Coulomb) pour atteindre un sommet où nous pouvons construire une maison (le noyau nouvellement créé).

1. Le Projectile (La voiture) : On peut utiliser différentes voitures.

   • La Calcium-48 est une petite voiture électrique, très maniable et efficace, mais elle a un problème : les routes pour l'utiliser (les cibles) sont en train de disparaître car elles sont trop fragiles.
   • Les nouvelles voitures (Titane, Vanadium, Chrome) sont plus lourdes et puissantes. Elles peuvent utiliser des routes plus solides, mais elles sont plus difficiles à conduire.

2. La Montagne (La Barrière de Coulomb) : Plus la voiture est lourde et plus la cible est grosse, plus la montagne est haute. Il faut beaucoup d'énergie pour la franchir.

3. Le Sommet (Le Noyau Composite) : Une fois la voiture au sommet, elle est très chaude et agitée (c'est l'énergie d'excitation). Si elle est trop chaude, elle va fondre et s'effondrer avant même de pouvoir construire la maison. Elle doit se refroidir doucement en perdant de la chaleur (en éjectant des neutrons) pour survivre.

🔍 Ce que les chercheurs ont découvert

Les scientifiques ont simulé quatre scénarios différents pour créer l'élément 119 :

• Scénario A : Petite voiture (Calcium) + Cible rare (Einsteinium).
• Scénario B, C, D : Voitures plus lourdes (Titane, Vanadium, Chrome) + Cibles plus stables (Berkelium, Curium, Americium).

Voici les trois leçons principales de leur étude, expliquées simplement :

1. Ce n'est pas toujours la voiture la plus puissante qui gagne

On pourrait penser que la voiture la plus lourde (le Chrome) est la meilleure car elle a plus de force. Mais ce n'est pas si simple !

• L'analogie du "Moteur trop chaud" : La combinaison Vanadium + Curium a un problème caché. Bien que la montagne soit franchissable, la voiture arrive au sommet avec un moteur trop chaud. Parce qu'elle est trop chaude, elle a beaucoup plus de chances de fondre (de se fissurer) avant de pouvoir construire l'élément.
• Le résultat : Même si le Vanadium semble prometteur, il produit moins d'éléments que prévu. À l'inverse, la combinaison Chrome + Americium, bien que plus difficile à démarrer, arrive au sommet avec une température plus gérable, ce qui lui permet de survivre un peu mieux.

2. Le "Plan de Construction" est incertain (Le problème des modèles)

C'est le point le plus crucial de l'article. Pour savoir si la maison va tenir debout, les physiciens doivent utiliser des "plans de construction" (des modèles mathématiques) pour prédire comment les atomes se comportent.

• L'analogie de l'Architecte : Imaginez que vous avez quatre architectes différents (les modèles de masse nucléaire : FRDM, WS4, KTUY).
  • L'architecte FRDM 2012 dit : "Si on utilise la petite voiture (Calcium), on a 233 chances de succès sur un milliard."
  • L'architecte FRDM 1995 (une vieille version) dit : "Attendez ! Avec la même voiture, on a 2000 chances de succès !"
  • Un autre architecte (WS4) dit : "Non, c'est catastrophique, on n'aura presque aucune chance."

Le choc : Selon l'architecte qu'on choisit, le nombre de succès peut varier de 1 à 1000 fois ! Cela signifie que nous ne sommes pas sûrs de savoir quelle expérience fonctionnera le mieux. La différence vient de la façon dont ces architectes calculent la "solidité" des murs (l'énergie de liaison des neutrons) et la "résistance à l'effondrement" (l'énergie de coquille).

3. Pourquoi est-ce si important ?

Construire ces éléments coûte des millions d'euros et demande des années de préparation. Si on se trompe de "recette" (de combinaison de projectiles et de cibles) ou si on se trompe de température, on risque de passer des mois à chercher un élément qui n'apparaîtra jamais.

🎯 Conclusion : Que retenir ?

Cette étude nous dit deux choses essentielles :

1. La température compte : Ce n'est pas seulement la force de l'impact qui compte, mais la chaleur résiduelle après le choc. Une réaction qui semble "plus facile" peut en réalité être trop chaude pour survivre.
2. Nous avons besoin de meilleurs plans : Nos prédictions théoriques sont encore très floues. Selon le modèle mathématique utilisé, les chances de succès peuvent changer du tout au tout.

En résumé : Pour trouver l'élément 119, les scientifiques doivent non seulement choisir la bonne "voiture" et la bonne "route", mais ils doivent aussi espérer que leurs "architectes" (les modèles mathématiques) ont raison sur la solidité de la maison qu'ils tentent de construire. C'est un pari scientifique à haut risque, mais c'est ainsi que l'humanité repousse les limites de la matière.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

La synthèse de nouveaux éléments, en particulier ceux au-delà du numéro atomique $Z=118$ (élément Og), constitue un défi majeur en physique nucléaire. Les réactions de fusion utilisant des faisceaux de $^{48}\text{Ca}$, qui ont permis la découverte des éléments jusqu'à $Z=118$, atteignent leurs limites pratiques pour $Z \ge 119$ en raison de la courte demi-vie et de la disponibilité limitée des cibles actinides appropriées (comme l'Einsteinium).

Pour surmonter cet obstacle, il est nécessaire d'utiliser des projectiles plus lourds (Titane, Vanadium, Chrome) avec des cibles actinides plus stables (Berkélium, Curium, Americium). Cependant, les prédictions théoriques des sections efficaces de production ($\sigma_{ER}$) pour ces réactions sont entachées d'incertitudes significatives dues à la complexité des mécanismes réactionnels et à la dépendance aux modèles de masse nucléaire utilisés pour calculer les propriétés des noyaux superlourds (SHN).

2. Méthodologie

Les auteurs ont employé un cadre théorique hybride pour modéliser les trois étapes distinctes de la réaction de fusion :

1. Phase de capture (Entrée) : Décrite par la méthode des canaux couplés (implémentée dans le code CCFULL), tenant compte des excitations rotationnelles des noyaux cibles déformés.
2. Phase de compétition (Fusion vs Quasi-fission) : Modélisée par une approche Langevin multidimensionnelle. Cette étape critique traite la dynamique de la déformation du système (paramétrée par deux centres) et la compétition entre la formation d'un noyau composé et la séparation précoce (quasi-fission).
3. Phase de désexcitation (Survie) : Calculée via un modèle statistique. La probabilité de survie ($W$) du noyau composé est déterminée par le rapport entre la largeur de décroissance par évaporation de neutrons ($\Gamma_n$) et la largeur de fission ($\Gamma_f$).

Paramètres clés étudiés :

• Réactions analysées : $^{48}\text{Ca} + ^{254}\text{Es}$, $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Bk}$, $^{51}\text{V} + ^{248}\text{Cm}$, et $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$.
• Dépendance aux modèles de masse : Les calculs ont été répétés en utilisant différentes tables de masses nucléaires pour évaluer l'incertitude : FRDM2012 (référence), FRDM1995, WS4 (Weizsäcker-Skyrme), et KTUY05 (Koura-Tachibana-Uno-Yamada).
• Variables physiques : Énergie d'excitation ($E^*$), valeur $Q$ de la réaction, barrière de Coulomb, énergies de liaison neutronique ($B_n$) et corrections de coquille ($V_{shell}$).

3. Résultats Principaux

A. Influence de la valeur $Q$ et de la barrière de Coulomb

L'ordre des sections efficaces maximales ($\sigma_{ER}$) ne suit pas simplement le produit des charges ($Z_{proj}Z_{targ}$).

• Cas du Vanadium ($^{51}\text{V} + ^{248}\text{Cm}$) : Bien que ce système ait un produit de charge élevé, il présente la plus petite section efficace (33 fb avec FRDM2012). Cela est dû à une valeur $Q$ de réaction relativement faible (en magnitude), ce qui entraîne une énergie d'excitation plus élevée pour une énergie incidente donnée. Cette énergie d'excitation élevée réduit drastiquement la probabilité de survie ($W$) car la fission devient dominante.
• Cas du Chrome ($^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$) : Malgré un produit de charge encore plus élevé que le Vanadium, il donne une section efficace légèrement supérieure (38 fb). La barrière de Coulomb plus élevée est compensée par une énergie d'excitation plus faible, permettant une meilleure survie du noyau composé.
• Cas du Calcium ($^{48}\text{Ca} + ^{254}\text{Es}$) : Produit la section efficace la plus élevée (233 fb) grâce à une probabilité de fusion initiale très élevée, malgré une probabilité de survie ($W$) plus faible pour le noyau $^{302}119$ par rapport aux autres isotopes.

B. Dépendance critique aux modèles de masse

L'incertitude liée au choix du modèle de masse est le facteur dominant de l'incertitude théorique :

• Comparaison FRDM1995 vs FRDM2012 : Pour la réaction $^{48}\text{Ca} + ^{254}\text{Es}$, la section efficace prédite par FRDM1995 (2067 fb) est près de 10 fois supérieure à celle de FRDM2012 (233 fb). Cette différence provient principalement de la probabilité de survie ($W$).
  • Mécanisme : Le modèle FRDM1995 prédit une énergie de liaison neutronique ($B_n$) légèrement plus faible (favorisant l'évaporation) et une augmentation plus marquée des corrections de coquille ($V_{shell}$) lors de l'évaporation des neutrons. Ces deux effets coopèrent pour supprimer la fission à haute énergie d'excitation, augmentant ainsi $W$.
• Comparaison avec d'autres modèles (WS4, KTUY05) :
  • Le modèle WS4 prédit des probabilités de survie 2 à 3 ordres de grandeur inférieures à FRDM2012, principalement dû à des corrections de coquille ($V_{shell}$) plus faibles.
  • Le modèle KTUY05 prédit des probabilités de survie environ 10 fois supérieures à FRDM2012, grâce à des énergies de liaison neutronique plus élevées et des corrections de coquille plus fortes.

4. Contributions Clés

1. Analyse systémique des réactions Z=119 : Fournit les premières estimations détaillées des sections efficaces pour quatre réactions candidates majeures en utilisant un cadre dynamique cohérent.
2. Identification des mécanismes de contrôle : Démontre que la section efficace finale est gouvernée par l'interaction subtile entre les propriétés du canal d'entrée (valeur $Q$, barrière de Coulomb) et les propriétés du noyau composé (survie via $B_n$ et $V_{shell}$).
3. Quantification de l'incertitude théorique : Met en évidence que les incertitudes sur les modèles de masse nucléaire peuvent modifier les prédictions de production de plusieurs ordres de grandeur, rendant difficile la détermination théorique précise des conditions optimales d'expérience sans données expérimentales de calibration.

5. Signification et Conclusion

Cette étude souligne que la synthèse des éléments superlourds est un processus hautement couplé où les effets du canal d'entrée, la dynamique de fusion et la décroissance statistique sont indissociables.

• Pour les expérimentateurs : Les résultats suggèrent que la réaction $^{48}\text{Ca} + ^{254}\text{Es}$ reste le candidat le plus prometteur pour atteindre $Z=119$, bien que la disponibilité de la cible $^{254}\text{Es}$ soit un défi. Les réactions avec des projectiles plus lourds (Ti, V, Cr) sont viables mais nécessitent des énergies d'excitation soigneusement optimisées pour compenser les barrières de Coulomb plus élevées.
• Pour la théorie : Il est impératif de quantifier les incertitudes des modèles de masse, en particulier concernant les énergies de liaison neutronique et les corrections de coquille, car elles contrôlent directement la probabilité de survie. Les prédictions théoriques pour les noyaux inconnus doivent être présentées avec une fourchette d'incertitude large reflétant la diversité des modèles de masse actuels.

En résumé, ce travail fournit une base théorique robuste pour la planification des futures expériences visant à étendre la table périodique, tout en soulignant la nécessité de mesures expérimentales pour contraindre les modèles nucléaires dans le régime des superlourds.