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

Utilizzando il modello del sistema dinucleare con parametri microscopici derivati dalla teoria funzionale della densità covariante a temperatura finita, lo studio riproduce con successo i dati sperimentali per le reazioni di fusione fredda e calda e prevede le sezioni d'urto di sintesi per l'elemento 120 in quattro diverse reazioni nucleari.

L'essenziale

Immagina di essere un architetto che deve costruire un grattacielo incredibilmente alto, così alto che non è mai stato fatto prima. Questo "grattacielo" è un nuovo elemento chimico, il numero 120, che gli scienziati cercano di creare nel mondo della fisica nucleare.

Il problema? Costruire questo edificio è estremamente difficile. Se sbagli anche di poco, l'edificio crolla immediatamente (in termini nucleari, il nucleo si spacca o "fissiona" prima di stabilizzarsi).

Ecco di cosa parla questo articolo, spiegato come se stessimo raccontando una storia:

1. Il Problema: Costruire con mattoni sbagliati

Per anni, gli scienziati hanno provato a prevedere come costruire questi elementi superpesanti usando un modello chiamato DNS (Sistema a Nuclei Dinamici). Pensa al modello DNS come a un simulatore di volo per aerei.
Il problema è che, fino a ora, per far funzionare il simulatore, gli scienziati usavano dati presi da manuali diversi:

• Il peso dei mattoni (massa nucleare) veniva da un manuale.
• La resistenza del cemento (barriera di fissione) veniva da un altro.
• La rigidità delle travi (energia di shell) veniva da un terzo.

Usare dati da fonti diverse è come costruire un aereo con parti di un Boeing, un Airbus e un elicottero: potrebbe funzionare, ma non è coerente e le previsioni potrebbero essere sbagliate.

2. La Soluzione: Un unico progetto coerente

Gli autori di questo studio (Zhang e colleghi) hanno detto: "Fermiamoci. Costruiamo tutto il simulatore usando un'unica fonte di dati coerente".
Hanno usato una teoria molto avanzata chiamata Teoria del Funzionale Densità Covariante (CDFT).
Immagina la CDFT come un motore di rendering 3D ultra-potente che calcola ogni singola proprietà di un atomo (peso, forma, stabilità) partendo dalle leggi fondamentali della fisica, senza copiare dati da altri manuali.

Inoltre, hanno aggiunto una variabile fondamentale: la temperatura.
Quando due nuclei si scontrano per creare un elemento nuovo, è come se due palle di fuoco si unissero. Il calore cambia tutto. Gli scienziati hanno usato la CDFT a "temperatura finita" per capire come questi "mattoni" si comportano quando sono roventi, non solo quando sono freddi.

3. La Verifica: Il test di volo

Prima di tentare di costruire l'elemento 120 (che non esiste ancora), hanno usato il loro nuovo simulatore per ricreare elementi che già conosciamo, come il Nobelio (No) e il Flerovio (Fl).
Hanno simulato gli esperimenti passati e hanno detto: "Guardate, il nostro simulatore riproduce esattamente ciò che è successo nei laboratori reali".
Questo è come dire: "Il nostro simulatore di volo è così preciso che se lo usiamo per simulare un volo che è già stato fatto, il computer ci dice esattamente dove l'aereo è atterrato". Questo dà loro fiducia nel modello.

4. La Missione: Trovare l'Elemento 120

Ora che hanno il simulatore funzionante, hanno iniziato a cercare la "ricetta perfetta" per l'elemento 120.
Hanno provato diverse combinazioni di "proiettili" (nuclei più piccoli) e "bersagli" (nuclei più grandi) per vedere quale combinazione avesse la massima probabilità di successo.

Immagina di dover lanciare una palla in un secchio molto piccolo, ma il secchio è su un tavolo che trema. Devi trovare l'angolo perfetto e la forza giusta.
Hanno testato quattro combinazioni principali:

1. Titanio + Californio
2. Vanadio + Berkelio
3. Cromo + Curio
4. Manganese + Americio

5. Il Risultato: La ricetta vincente

Il simulatore ha dato un verdetto chiaro:

• La combinazione Titanio + Californio è la più promettente. È come se fosse l'angolo perfetto per lanciare la palla.
• La probabilità di successo è bassissima (parliamo di "femtobarn", che è un'unità di misura incredibilmente piccola, come trovare un granello di sabbia specifico su tutte le spiagge della Terra), ma è la più alta tra le opzioni.
• Le altre combinazioni (come Manganese + Americio) sono molto più difficili, quasi come cercare di lanciare la palla al buio.

In sintesi

Questo studio è come un manuale di istruzioni aggiornato e coerente per gli scienziati che costruiscono elementi nuovi.
Invece di usare pezzi di ricambio misti, hanno creato un progetto unificato basato su calcoli microscopici precisi. Hanno dimostrato che il loro metodo funziona sugli elementi noti e ora stanno indicando agli sperimentatori: "Ehi, se volete costruire l'elemento 120, provate a unire il Titanio al Californio con questa precisa quantità di energia. È la vostra migliore chance!".

È un lavoro di precisione che aiuta a guidare esperimenti costosi e complessi, riducendo il rischio di fallire e avvicinandoci all'isola di stabilità, quel luogo misterioso dove gli elementi superpesanti potrebbero vivere a lungo.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Meccanismo di Sintesi dell'Elemento Superpesante 120

Titolo: Meccanismo di sintesi dell'elemento superpesante 120: un approccio basato sul modello del sistema dinucleare con input microscopici.

1. Il Problema

La sintesi di nuovi elementi superpesanti (SHE), in particolare quelli con numeri atomici $Z=119$ e $Z=120$, rappresenta una delle frontiere più impegnative della fisica nucleare. Sebbene siano stati identificati 15 elementi superpesanti (da $Z=104$ a $Z=118$), la produzione di elementi oltre il 118 è ostacolata da sezioni d'urto di sintesi estremamente piccole, rendendo gli esperimenti costosi e lunghi.
Il problema centrale affrontato in questo studio risiede nella consistenza teorica dei modelli predittivi. Il modello del sistema dinucleare (DNS), ampiamente utilizzato per calcolare le sezioni d'urto di sintesi, dipende da parametri di input fisici fondamentali (masse nucleari, barriere di fissione, energie di correzione di shell, parametri di densità di livello). Tradizionalmente, questi parametri sono stati derivati da modelli teorici distinti e non coerenti tra loro (es. modello a goccia FRDM per le masse, modelli macroscopico-microscopici per le barriere, metodo di Strutinsky per le correzioni di shell). Questa eterogeneità introduce incertezze e ridondanze che limitano l'accuratezza predittiva del modello DNS.

2. Metodologia

Gli autori propongono un approccio innovativo per garantire la coerenza teorica: generare tutti i parametri di input essenziali per il modello DNS partendo da un'unica struttura teorica microscopica.

• Modello di Base (Input): Viene utilizzata la Teoria del Funzionale Densità Covariante (CDFT) a temperatura finita, impiegando il funzionale di densità energetica PC-PK1. Le correlazioni di pairing sono trattate mediante l'approssimazione BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer).
• Calcolo delle Proprietà Nucleari: Sulla base della CDFT, vengono calcolati per i nuclei composti target ($^{248-256}$No, $^{278-292}$Fl, $^{290-302}$120):
  • Energie di separazione del singolo neutrone ($S_n$).
  • Barriere di fissione ($B_f$) in funzione dell'energia di eccitazione.
  • Energie di correzione di shell ($E_{sh}$) ottenute tramite il metodo di Strutinsky applicato ai livelli a singola particella della CDFT.
  • Parametri di densità di livello asintotici ($\tilde{a}$) e fattori di smorzamento delle shell ($E_D$), estratti analizzando le superfici di energia libera e l'entropia in funzione della temperatura.
• Modello di Sintesi (DNS): Questi parametri microscopici coerenti vengono inseriti nel Modello del Sistema Dinucleare (DNS). Il modello DNS descrive la reazione di fusione-evaporazione in tre fasi: cattura, fusione (formazione del nucleo composto) e sopravvivenza (evaporazione di neutroni contro la fissione).
• Validazione: Il modello viene prima testato su sistemi noti (reazioni "fredde" $^{48}$Ca + Pb e reazioni "calde" $^{48}$Ca + Pu) confrontando i risultati con i dati sperimentali esistenti.

3. Contributi Chiave

• Coerenza Microscopica: È la prima applicazione che integra sistematicamente tutti i parametri di input del modello DNS derivandoli esclusivamente dalla CDFT a temperatura finita, eliminando la necessità di mescolare dati da modelli teorici disparati.
• Analisi della Densità di Livello: Gli autori confrontano tre metodi diversi per estrarre il parametro di densità di livello ($a$) dalla CDFT e identificano che il metodo basato sulla derivata parziale dell'entropia ($a_3 = \frac{1}{2}\frac{\partial S}{\partial T}$) è il più adatto per il modello DNS.
• Predizione per l'Elemento 120: Fornisce una previsione dettagliata e coerente delle sezioni d'urto per la sintesi dell'elemento 120, identificando i canali di reazione ottimali.

4. Risultati

• Validazione su No e Fl: Il modello, alimentato con input microscopici, riproduce con successo i dati sperimentali per le reazioni fredde ($^{48}$Ca + $^{204,206-208}$Pb $\to$ $^{252,254-256}$No$^*$) e calde ($^{48}$Ca + $^{239,240,242,244}$Pu $\to$ $^{287,288,290,292}$Fl$^*$).
  • Nota: Si osserva una leggera discrepanza alle alte energie di eccitazione, dove le sezioni d'urto calcolate decadono più lentamente rispetto ai dati sperimentali. Gli autori attribuiscono questo alla diminuzione troppo lenta della barriera di fissione nel modello microscopico rispetto alla realtà fisica.
• Predizioni per l'Elemento 120: Sono state calcolate le sezioni d'urto per quattro sistemi di reazione candidati per la sintesi dell'elemento 120. I risultati massimi sono:
  1. $^{50}$Ti + $^{249}$Cf: La reazione più promettente. Il canale ottimale è $^{50}$Ti($^{249}$Cf, 4n)$^{295}$120 con una sezione d'urto massima di 48.20 fb a un'energia di eccitazione $E^*_{CN} = 41$ MeV.
  2. $^{51}$V + $^{249}$Bk: Il canale ottimale è $^{51}$V($^{249}$Bk, 3n)$^{297}$120 con 12.33 fb a $E^*_{CN} = 34$ MeV.
  3. $^{54}$Cr + $^{248}$Cm: Il canale ottimale è $^{54}$Cr($^{248}$Cm, 3n)$^{299}$120 con 5.25 fb a $E^*_{CN} = 32$ MeV.
  4. $^{55}$Mn + $^{243}$Am: Il canale ottimale è $^{55}$Mn($^{243}$Am, 5n)$^{293}$120 con 0.47 fb a $E^*_{CN} = 53$ MeV.
• Trend: Si osserva che l'uso di proiettili più pesanti (come Mn rispetto a Ti) riduce drasticamente la probabilità di fusione a causa della maggiore simmetria tra proiettile e bersaglio e della necessità di trasferire un numero maggiore di nucleoni.

5. Significato

Questo studio fornisce una guida teorica cruciale per i futuri esperimenti volti a sintetizzare l'elemento 120.

• Ottimizzazione Sperimentale: Identifica chiaramente la reazione $^{50}$Ti + $^{249}$Cf come la candidata migliore, offrendo ai laboratori (come GSI, JINR, RIKEN) un bersaglio e un proiettile specifici da utilizzare per massimizzare le probabilità di successo.
• Sviluppo Teorico: Dimostra che l'uso di un quadro teorico unificato (CDFT) per generare gli input del modello DNS migliora la robustezza delle predizioni, anche se evidenzia la necessità di affinare la descrizione della dipendenza della barriera di fissione dall'energia di eccitazione.
• Esplorazione dell'Isola di Stabilità: Contribuisce direttamente alla mappatura dell'"isola di stabilità" degli elementi superpesanti, fornendo dati fondamentali per comprendere la struttura della materia nucleare a limiti estremi.