Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
Questo studio impiega la teoria microscopica di Hartree-Fock dipendente dal tempo per analizzare la dinamica della quasifissione in 18 reazioni di fusione calda per la sintesi di nuclei superpesanti (Z=112-120), rivelando che gli effetti di guscio (specificamente il piombo 208 sferico e l'ottupolo deformato Z=88/N=136) governano la formazione dei frammenti, mentre i proiettili più pesanti accelerano la quasifissione, spiegando così le ridotte probabilità di fusione osservate nei tentativi di creare gli elementi Z=119 e Z=120.
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Nella ricerca di comprendere i limiti stessi della materia, i fisici cercano costantemente di costruire gli atomi più pesanti possibili. Questi elementi superpesanti, che si trovano alla fine estrema della tavola periodica, non esistono naturalmente sulla Terra; devono essere creati artificialmente nei laboratori. Per realizzarli, gli scienziati fanno scontrare due nuclei atomici più piccoli a velocità incredibilmente elevate, sperando che si fondano in un unico nucleo più pesante. Tuttavia, questo processo è notoriamente difficile. Quando i due nuclei collidono, spesso non riescono a stare insieme. Invece di fondersi, si toccano per un istante fugace e poi si separano immediatamente di nuovo. Questo specifico modo di fallimento, in cui i nuclei interagiscono brevemente ma si separano prima di formare un nuovo elemento, è noto come quasifissione. È l'ostacolo principale che impedisce agli scienziati di creare elementi più pesanti di quelli attualmente noti, come l'elemento con 118 protoni. Comprendere esattamente perché e come avviene questa separazione è crucialo per il passo successivo nel viaggio: la creazione degli elementi 119 e 120.
Un team di ricercatori in Cina ha esaminato questo processo in modo profondo e microscopico per vedere cosa stia realmente accadendo all'interno della collisione. Utilizzando potenti simulazioni al computer basate sulle leggi della meccanica quantistica, hanno modellato diciotto diversi tipi di collisioni progettate per creare nuclei superpesanti. Si sono concentrati su reazioni in cui un nucleo proiettile più piccolo e veloce colpisce un nucleo bersaglio più grande e stazionario. I ricercatori erano particolarmente interessati a come la struttura interna dei nuclei influenzi il risultato. Hanno esaminato collisioni che coinvolgono diversi tipi di proiettili, inclusi calcio, scandio, titanio, vanadio e cromo, tutti mirati a creare elementi con tra 112 e 120 protoni.
Lo studio ha rivelato che l'esito di queste collisioni non è casuale; è fortemente guidato dalle "gusci" (shell) all'interno del nucleo. Proprio come gli elettroni in un atomo si dispongono in specifici livelli di energia o gusci, anche i protoni e i neutroni all'interno del nucleo preferiscono disporsi in determinati gruppi stabili. I ricercatori hanno scoperto che nelle collisioni che utilizzano proiettili più leggeri come calcio, scandio, titanio e vanadio, il sistema ha una forte tendenza a rompersi in un modo che lascia uno dei frammenti con un aspetto molto simile al piombo-208. Il piombo-208 è un nucleo particolarmente stabile perché i suoi protoni e neutroni riempiono gusci sferici completi. Le simulazioni hanno mostrato che i nuclei in collisione sembrano "puntare" verso questa configurazione stabile, causando la formazione di un frammento pesante con un numero specifico di protoni e neutroni che corrispondono a questa struttura simile al piombo e stabile. Questo comportamento è stato coerente in tutte le reazioni che utilizzavano questi proiettili più leggeri, suggerendo l'esistenza di una regola universale in gioco.
Tuttove, la storia cambia quando i ricercatori hanno utilizzato un proiettile più pesante: il cromo-54. In queste collisioni, la forza guida è diversa. Invece di formare un frammento sferico simile al piombo, il sistema mostra una forte tendenza a produrre un frammento pesante che assomiglia al radio-224. Questo nucleo simile al radio non è sferico; ha una forma più simile a una pera. Questa forma è causata da un diverso tipo di stabilità interna, dove i protoni e i neutroni si assestano in gusci deformati, di tipo ottupolo. Le simulazioni hanno indicato che, quando viene utilizzato il cromo-54, la dinamica della collisione è guidata da questa stabilità a forma di pera, portando a un tipo distinto di quasifissione che differisce fondamentalmente dalle reazioni che utilizzano proiettili più leggeri.
Oltre alla forma dei frammenti, i ricercatori hanno anche investigato quanto tempo i due nuclei rimangono in contatto prima di separarsi. Hanno trovato una chiara relazione tra il peso del proiettile e la velocità della rottura. Man mano che il proiettile diventava più pesante, passando dal calcio al titanio e poi al cromo, il tempo in cui i nuclei passavano a contatto con essi diventava significativamente più breve. Ciò accade perché i proiettili più pesanti trasportano più carica elettrica, creando una forza repulsiva più forte che spinge i nuclei ad allontanarsi più rapidamente. Questa separazione rapida lascia meno tempo affinché i nuclei possano fondersi completamente e assestarsi in un nuovo elemento stabile. I ricercatori suggeriscono che questo tempo di contatto ridotto è una delle ragioni principali per cui il tasso di successo nella creazione di nuovi elementi scende drasticamente quando gli scienziati passano dai proiettili di calcio a quelli più pesanti come il titanio o il cromo.
Lo studio ha anche esaminato come cambia l'equilibrio tra neutroni e protoni durante queste collisioni. Hanno scoperto che, sebbene i nuclei si separino molto rapidamente, riescono a condividere i loro neutroni e protoni tra loro in modo molto efficiente. Al momento della separazione, la differenza nel rapporto tra neutroni e protoni tra i due frammenti è molto piccola e costante in tutte le diverse reazioni studiate. Questa scoperta fornisce un vincolo microscopico preciso che altri scienziati possono utilizzare per costruire modelli migliori di come funzionano queste reazioni.
In definitiva, questo lavoro fornisce un quadro più chiaro delle forze invisibili che dettano se un elemento superpesante nasca o fallisca nel formarsi. Conferma che la struttura interna dei gusci nucleari agisce come una sorta di progetto per la collisione, determinando se i frammenti saranno sferici o a forma di pera. Evidenzia inoltre la barriera fisica creata dalla repulsione elettrica, che accelera il processo di rottura per i proiettili più pesanti. Queste intuizioni sono vitali per lo sforzo in corso per sintetizzare gli elementi 119 e 120. Comprendendo esattamente quali combinazioni di proiettile e bersaglio hanno probabilità di successo e perché altre falliscono, gli scienziati possono fare scelte più informate nei loro esperimenti, guidando potenzialmente la prossima creazione riuscita di un nuovo elemento sulla tavola periodica.
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