Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
Cette étude emploie la théorie de Hartree-Fock dépendante du temps microscopique pour analyser la dynamique de la quasifission dans 18 réactions de fusion chaude pour la synthèse de noyaux superlourds (Z=112-120), révélant que les effets de couche (spécifiquement le Pb208 sphérique et la déformation octopolaire Z=88/N=136) régissent la formation des fragments tandis que les projectiles plus lourds accélèrent la quasifission, expliquant ainsi les probabilités de fusion réduites observées lors des tentatives de création des éléments Z=119 et Z=120.
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Dans la quête visant à comprendre les limites mêmes de la matière, les physiciens tentent constamment de construire les atomes les plus lourds possibles. Ces éléments super-lourds, qui se situent à l'extrémité lointaine du tableau périodique, n'existent pas naturellement sur Terre ; ils doivent être créés artificiellement dans des laboratoires. Pour les fabriquer, les scientifiques fracassent deux noyaux atomiques plus petits à des vitesses incroyablement élevées, espérant qu'ils fusionneront pour former un noyau unique et plus lourd. Cependant, ce processus est notoirement difficile. Lorsque les deux noyaux entrent en collision, ils échouent souvent à rester collés ensemble. Au lieu de fusionner, ils se touchent pendant un instant fugace puis se séparent immédiatement à nouveau. Ce mode de défaillance spécifique, où les noyaux interagissent brièvement mais se séparent avant de former un nouvel élément, est connu sous le nom de quasi-fission. C'est l'obstacle principal qui empêche les scientifiques de créer des éléments plus lourds que ceux actuellement connus, comme l'élément possédant 118 protons. Comprendre exactement pourquoi et comment cette séparation se produit est crucial pour la prochaine étape du voyage : la création des éléments 119 et 120.
Une équipe de chercheurs en Chine a porté un regard microscopique profond sur ce processus pour voir ce qui se passe réellement à l'intérieur de la collision. En utilisant de puissantes simulations informatiques basées sur les lois de la mécanique quantique, ils ont modélisé dix-huit types différents de collisions conçues pour créer des noyaux super-lourds. Ils se sont concentrés sur des réactions où un noyau projectile plus petit et rapide frappe un noyau cible plus grand et stationnaire. Les chercheurs étaient particulièrement intéressés par la manière dont la structure interne des noyaux influence le résultat. Ils ont examiné des collisions impliquant différents types de projectiles, notamment le calcium, le scandium, le titane, le vanadium et le chrome, tous visant à créer des éléments possédant entre 112 et 120 protons.
L'étude a révélé que l'issue de ces collisions n'est pas aléatoire ; elle est fortement guidée par les « couches » à l'intérieur du noyau. Tout comme les électrons d'un atome s'organisent en niveaux d'énergie ou couches spécifiques, les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau préfèrent également s'organiser en certains groupes stables. Les chercheurs ont découvert que dans les collisions utilisant des projectiles plus légers comme le calcium, le scandium, le titane et le vanadium, le système a une forte tendance à se briser d'une manière qui laisse l'un des fragments ressembler énormément au plomb-208. Le plomb-208 est un noyau particulièrement stable car ses protons et ses neutrons remplissent des couches sphériques complètes. Les simulations ont montré que les noyaux en collision semblent « viser » cette configuration stable, provoant la formation d'un fragment lourd avec un nombre spécifique de protons et de neutrons correspondant à cette structure de type plomb. Ce comportement était constant dans toutes les réactions utilisant ces projectiles plus légers, suggérant qu'une règle universelle est à l'œuvre.
Cependant, l'histoire change lorsque les chercheurs utilisent un projectile plus lourd : le chrome-54. Dans ces collisions, la force directrice est différente. Au lieu de former un fragment sphérique de type plomb, le système montre une forte tendance à produire un fragment lourd qui ressemble au radium-224. Ce noyau de type radium n'est pas sphérique ; il a une forme qui s'apparente à une poire. Cette forme est causée par un autre type de stabilité interne, où les protons et les neutrons se stabilisent dans des couches déformées, de forme octopolaire. Les simulations ont indiqué que lorsque le chrome-54 est utilisé, la dynamique de la collision est dictée par cette stabilité de forme de poire, conduisant à un type de quasi-fission distinct qui diffère fondamentalement des réactions utilisant des projectiles plus légers.
Au-delà de la forme des fragments, les chercheurs ont également étudié combien de temps les deux noyaux restent en contact avant de se séparer. Ils ont trouvé une relation claire entre le poids du projectile et la vitesse de la rupture. À mesure que le projectile devenait plus lourd, passant du calcium au titane, puis au chrome, le temps que les noyaux passaient en contact l'un avec l'autre devenait significativement plus court. Cela se produit parce que les projectiles plus lourds transportent une charge électrique plus élevée, créant une force de répulsion plus forte qui repousse les noyaux plus rapidement. Cette séparation rapide laisse moins de temps pour que les noyaux fusionnent pleinement et se stabilisent en un nouvel élément stable. Les chercheurs suggèrent que ce temps de contact raccourci est une raison majeure pour laquelle le taux de réussite de la création de nouveaux éléments chute si radicalement lorsque les scientifiques passent des projectiles de calcium à des projectiles plus lourds comme le titane ou le chrome.
L'étude a également examiné comment l'équilibre entre neutrons et protons change au cours de ces collisions. Ils ont découvert que même si les noyaux se séparent très rapidement, ils parviennent à partager leurs neutrons et leurs protons entre eux de manière très efficace. Au moment où ils se séparent, la différence de ratio entre les neutrons et les protons entre les deux fragments est très faible et constante à travers toutes les différentes réactions étudiées. Cette découverte fournit une contrainte microscopique précise que d'autres scientifiques peuvent utiliser pour construire de meilleurs modèles de la façon dont ces réactions fonctionnent.
En fin de compte, ce travail offre une image plus claire des forces invisibles qui dictent si un élément super-lourd naît ou échoue à se former. Il confirme que la structure de couche interne des noyaux agit comme un plan directeur pour la collision, déterminant si les fragments seront sphériques ou en forme de poire. Il souligne également la barrière physique créée par la répulsion électrique, qui accélère le processus de rupture pour les projectiles plus lourds. Ces informations sont vitales pour l'effort continu de synthèse des éléments 119 et 120. En comprenant exactement quelles combinaisons de projectiles et de cibles sont susceptibles de réussir et pourquoi d'autres échouent, les scientifiques peuvent faire des choix plus éclairés pour leurs expériences, guidant potentiellement la prochaine création réussie d'un nouvel élément sur le tableau périodique.
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