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

Questo studio utilizza la teoria di Hartree-Fock dipendente dal tempo per analizzare come l'orientamento del proiettile e l'energia incidente influenzino la dinamica di quasifissione nella reazione $^{54}\text{Cr}+^{243}\text{Am}$, rivelando che gli effetti di shell, che guidano la formazione di frammenti stabili e accorciano i tempi di interazione, sono determinanti per ottimizzare le probabilità di fusione nella sintesi di elementi superpesanti.

L'essenziale

Immagina di voler costruire il palazzo più alto e speciale del mondo: un edificio fatto di mattoni così rari e instabili che, appena provi a unirli, tendono a crollare o a separarsi prima ancora di formare una stanza solida. Questo è il mondo degli elementi superpesanti, come quello numero 119, che gli scienziati stanno cercando di creare per scoprire se esiste un "arcipelago della stabilità" dove questi atomi possano vivere a lungo.

Il problema è che quando provi a unire due atomi pesanti per crearne uno nuovo, spesso succede una cosa chiamata quasi-fissione. È come se due persone che cercano di abbracciarsi, invece di stringersi, si spingessero via violentemente prima ancora di toccarsi, o si separassero subito dopo un abbraccio goffo.

In questo studio, i ricercatori Liang Li e Lu Guo hanno deciso di guardare cosa succede "dietro le quinte" di questo abbraccio atomico, usando un computer potentissimo e una teoria chiamata TDHF (che è come una telecamera super-veloce che fotografa ogni singolo protone e neutrone mentre si muovono).

Ecco cosa hanno scoperto, spiegato con parole semplici:

1. L'importanza di come ti avvicini (L'orientamento)

Immagina di dover unire due oggetti strani:

• Un proiettile (il Cromo-54) che ha la forma di un fagiolo allungato.
• Un bersaglio (l'Americio-243) che ha la forma di una pera (più larga da un lato, più stretta dall'altro).

Gli scienziati hanno scoperto che come questi due oggetti si scontrano cambia tutto:

• Se si scontrano di "fianco" (Side collision): È come se due fagioli si schiacciassero lateralmente. In questo caso, le forze interne dell'atomo (chiamate "effetti guscio", come se gli atomi avessero un'armatura interna) diventano fortissime. Spingono i pezzi a separarsi rapidamente in modo molto ordinato, cercando di diventare forme perfette e stabili (come sfere o fagioli specifici). È un processo veloce ma che porta quasi sempre alla separazione (quasi-fissione).
• Se si scontrano "punta contro punta" (Tip collision): È come se due fagioli si toccassero solo con le punte. Qui le cose sono più confuse. Non c'è quella spinta ordinata verso la stabilità. I pezzi si mescolano meno e, paradossalmente, c'è una piccola possibilità in più che riescano a fondersi davvero invece di separarsi.

2. Il tempo è tutto (La durata dell'abbraccio)

Hanno misurato quanto tempo i due atomi rimangono uniti prima di separarsi.

• Quando l'atomo pesante cerca di diventare una sfera perfetta (un numero magico di protoni), diventa rigido come una roccia.
• Questa rigidità fa sì che il "collo" che li tiene uniti si spezzi molto velocemente.
• È come se due persone che si abbracciano improvvisamente diventassero di pietra: il contatto dura pochissimo perché si spezzano subito. Questo è un segno che le forze quantistiche stanno giocando un ruolo fondamentale.

3. La temperatura cambia le regole (L'energia)

Hanno anche provato a cambiare la "velocità" con cui i due atomi si scontrano (l'energia).

• A energie medie, l'atomo bersaglio (la pera) si comporta in modo strano, come se avesse una forma ondulata (ottupolare) che lo stabilizza in un modo specifico.
• Ma se aumenti l'energia (lo "scalda" un po'), questa forma strana si scioglie, come la cera di una candela.
• A energie più alte, tornano a dominare le forme sferiche classiche.
• Il punto cruciale: C'è una "finestra" di energia specifica (un po' come la temperatura giusta per cuocere una torta) dove queste forze che spingono gli atomi a separarsi si indeboliscono. Se gli scienziati colpiscono l'atomo bersaglio con la velocità esatta in questa finestra, potrebbero avere più possibilità di farli fondere invece di farli separare.

In sintesi

Questo studio ci dice che per costruire l'elemento 119 non basta solo "sparare" un atomo contro l'altro. Bisogna essere chirurghi della fisica:

1. Bisogna scegliere la velocità giusta (né troppo lenta, né troppo veloce) per evitare che le forze interne spingano gli atomi a separarsi.
2. Bisogna capire che la forma degli atomi (come un fagiolo o una pera) gioca un ruolo fondamentale nel determinare se l'esperimento sarà un successo o un fallimento.

In pratica, hanno trovato la mappa per evitare le trappole che finora hanno impedito di creare questi nuovi elementi, offrendo una speranza concreta per il futuro della chimica e della fisica nucleare.

Sommario tecnico

Ecco una sintesi tecnica dettagliata del paper in italiano, strutturata secondo le sezioni richieste.

Titolo: Dinamiche microscopiche di quasi-fissione nella reazione $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$

1. Il Problema

La sintesi di elementi superpesanti (SHE) oltre l'Oganessio ($Z=118$), in particolare gli elementi 119 e 120, rappresenta una delle sfide più ardue nella fisica nucleare moderna. Il principale ostacolo è il canale di quasi-fissione (QF), che domina la dinamica evolutiva del sistema dinucleare catturato, impedendo la formazione di un nucleo composto equilibrato.
A differenza delle reazioni precedenti che utilizzavano il proiettile $^{48}\text{Ca}$ (ora non più fattibile a causa della scarsità di isotopi bersaglio come einsteinio e fermio), le nuove strategie richiedono proiettili più pesanti (come $^{50}\text{Ti}$, $^{51}\text{V}$, $^{54}\text{Cr}$) su bersagli attinidi. La reazione $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$ è un candidato chiave per la sintesi dell'elemento 119, ma la comprensione dei meccanismi microscopici che governano la QF in questo sistema è essenziale per ottimizzare le probabilità di fusione.

2. Metodologia

Gli autori hanno utilizzato la teoria Time-Dependent Hartree-Fock (TDHF) basata sul funzionale di densità energetica di Skyrme (parametrizzazione SLy5) per effettuare simulazioni completamente microscopiche.

• Approccio: La teoria TDHF evolve il campo medio auto-consistente senza parametri empirici specifici per il meccanismo di reazione, catturando naturalmente effetti come deformazione, orientazione, trasferimento di nucleoni e dissipazione a un corpo.
• Configurazioni Iniziali: Sono state simulate sistematicamente diverse orientazioni iniziali dei nuclei deformati:
  • Proiettile ($^{54}\text{Cr}$): Orientamento "a punta" (tip, $\theta_P = 0^\circ$) e "a lato" (side, $\theta_P = 90^\circ$).
  • Bersaglio ($^{243}\text{Am}$): Data la sua complessa deformazione (quadrupolare, ottopolare e esadecapolare) che rompe la simmetria di riflessione, sono state campionate nove orientazioni ($\theta_T$ da $0^\circ$a$180^\circ$).
• Energia: Le simulazioni sono state condotte per un'ampia gamma di energie incidenti ($E_{c.m.}$), da sotto la barriera Coulombiana fino a ben al di sopra di essa, con un focus specifico su $E_{c.m.} = 251.9$ MeV per l'analisi dettagliata delle orientazioni e su un intervallo 200-350 MeV per lo studio della dipendenza energetica.
• Codice: È stato utilizzato una versione modificata del codice Sky3D che include esplicitamente i termini del tensore di corrente di spin al quadrato ($J^2$), necessari per la consistenza con il funzionale SLy5.

3. Risultati Chiave

A. Dipendenza dall'Orientamento (a energia fissa):

• Collisioni "a lato" (Side collisions): Dominano la resa totale di QF. I frammenti risultanti sono fortemente guidati dagli effetti di guscio. I frammenti pesanti tendono verso il guscio sferico chiuso $Z=82$, mentre quelli leggeri verso i gap di guscio deformati nella regione $N=52-56$.
• Tempi di contatto: Le reazioni dominate dagli effetti di guscio (specialmente quando il frammento pesante si avvicina a $Z=82$) mostrano tempi di contatto più brevi. Questo è dovuto alla maggiore rigidità strutturale dei frammenti stabilizzati dal guscio, che accelera la rottura del "collo" (neck rupture).
• Collisioni "a punta" (Tip collisions): Mostrano un trasferimento di nucleoni significativamente inferiore e non presentano le caratteristiche nette di stabilizzazione da guscio osservate nelle collisioni laterali. La distribuzione dei frammenti è più diffusa e meno vincolata ai numeri magici.

B. Dipendenza dall'Energia Incidente:
L'analisi della configurazione "punta-punta" su un'ampia gamma di energie rivela un'evoluzione complessa e non monotona della dinamica:

1. Regime a bassa energia (vicino alla barriera): Dominato da scattering quasi-elastico.
2. Regime intermedio (226–240 MeV): Si osserva una riduzione del trasferimento di nucleoni. In una finestra specifica (240–280 MeV), i prodotti si stabilizzano attorno a $Z \approx 88$ e $N \approx 136$, corrispondenti alla regione di deformazione ottopolare (es. $^{224}\text{Ra}$).
3. Regime ad alta energia (>300 MeV): Il sistema transita verso un regime guidato dai gusci sferici ($Z=82, N=126$) per i frammenti pesanti e dai gusci deformati ($Z=36, N=52$) per quelli leggeri.

• Interpretazione: Questo suggerisce che gli effetti di guscio ottopolare sono più sensibili allo smorzamento termico (damping) e svaniscono a energie di eccitazione più elevate, lasciando il sopravvento ai gusci sferici più resilienti.

4. Contributi Principali

• Mappatura Microscopica: Fornisce la prima descrizione microscopica completa della dinamica di QF per il sistema $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$, evidenziando come la geometria iniziale (orientamento) e l'energia determinino il destino del sistema.
• Meccanismo di Rottura del Collo: Dimostra che la rigidità indotta dagli effetti di guscio (specialmente $Z=82$) accelera la scissione, riducendo i tempi di contatto, un risultato controintuitivo rispetto ai modelli di diffusione classica che prevedono tempi più lunghi per un maggiore trasferimento di massa.
• Transizione di Regime: Identifica chiaramente la transizione dinamica da un regime stabilizzato da deformazioni ottopolari a uno guidato da gusci sferici in funzione dell'energia incidente.

5. Significato e Implicazioni

Lo studio ha un impatto diretto sulla strategia sperimentale per la sintesi di nuovi elementi superpesanti:

• Ottimizzazione dell'Energia: La forte dipendenza energetica degli effetti di guscio suggerisce che è possibile "sintonizzare" l'energia del fascio per evitare le finestre energetiche in cui la QF è massimamente favorita dagli effetti di guscio (che riducono la probabilità di fusione).
• Finestra Ottimale: I risultati indicano che regioni energetiche dove l'influenza dei gusci è soppressa (ad esempio, intorno a $E_{c.m.} \approx 226$ MeV per la configurazione punta-punta) potrebbero offrire una probabilità di fusione relativa più alta, riducendo la competizione con il canale di QF.
• Guida per gli Esperimenti: Queste previsioni teoriche sono cruciali per guidare gli esperimenti in corso e futuri (ad esempio presso l'upgrade HIRFL-CAFE2 in Cina) verso le condizioni ottimali per sintetizzare l'elemento 119, superando le barriere attuali imposte dalla bassa sezione d'urto di residuo di evaporazione.