Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
本研究は、超重核（Z=112-120）を合成するための18種類の熱融合反応における準核分裂ダイナミクスを解析するために微視的な時間依存ハートリー＝フォック理論を用いており、殻効果（具体的には球状の208Pbおよび八重極変形したZ=88/N=136）が断片形成を支配する一方で、より重い入射粒子が準核分裂を加速させることを明らかにし、それによって元素Z=119およびZ=120の生成の試みにおいて観察される融合確率の低下を説明している。
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物質の極限を理解しようとする探求の中で、物理学者たちは常に、可能な限り重い原子を構築しようと試みています。これらの超重元素は、周期表の最端に位置しており、地球上に自然には存在しません。それらは実験室で人工的に作られなければなりません。これらを作るために、科学者たちは2つのより小さな原子核を非常に高い速度で衝突させ、それらが単一のより重い原子核へと融合することを期待します。しかし、このプロセスは極めて困難であることで知られています。2つの原子核が衝突しても、それらが結合することに失敗することが多いのです。融合する代わりに、それらは一瞬だけ接触し、その後すぐに再び分裂してしまいます。このように、原子核が相互作用するものの、新しい元素を形成する前に分離してしまう特定の失敗モードは、「クアジフィッション（準分裂）」として知られています。これは、現在知られている元素（例えば陽子数118の元素）よりも重い元素を創出することを阻む主要な障害となっています。なぜ、どのようにしてこの分裂が起こるのかを正確に理解することは、次のステップである元素119および120の生成に向けた旅において極めて重要です。
中国の研究チームは、衝突の中で実際に何が起きているのかを真に理解するために、このプロセスを微視的なレベルで深く観察しました。量子力学の法則に基づいた強力なコンピュータ・シミュレーションを用いて、超重核の生成を目的とした18種類の異なる衝突をモデル化しました。彼らは、小さく高速で移動する入射核が、静止した大きな標的核に衝突する場合の反応に焦点を当てました。研究者たちは、原子核の内部構造が結果にどのように影響するかについて特に注目しました。彼らは、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロムを含む、さまざまな種類の入射核を用いた衝突を調査し、陽子数が112から120の間の元素を生成することを目指しました。
研究によれば、これらの衝突の結果はランダムではなく、原子核内部の「殻（シェル）」によって強く導かれていることが明らかになりました。原子内の電子が特定のエネルギー準位や殻に配置されるのと同様に、原子核内の陽子と中性子もまた、特定の安定したグループに配置されることを好みます。研究者たちは、カルシウム、スカチウム、チタン、バナジウムのような軽い入射核を用いた衝突では、システムが、断片の一つが鉛208に酷似した姿を残すような形で分裂する強い傾向があることを見出しました。鉛208は、その陽子と中性子が完全で球状の殻を満たしているため、特に安定した原子核です。シミュレーションによれば、衝突する原子核はこの安定した構成を目指すように振る舞い、その結果、重い断片がこの安定した鉛のような構造に一致する特定の陽子数と中性子数を持って形成されることが示されました。この挙動は、これらの軽い入射核を用いたすべての反応において一貫しており、普遍的な規則が働いていることを示唆しています。
しかし、研究者がより重い入射核であるクロム54を使用したとき、物語は変わりました。これらの衝突における導き手となる力は異なっていました。球形の鉛のような断片を形成する代わりに、システムはラジウム224に似た重い断片を生成するという強い傾向を示しました。このラジウムのような原子核は球形ではなく、梨のような形をしています。この形状は、陽子と中性子が変形した八重極型の殻に落ち着くという、異なる種類の内部的安定性によって引き起こされます。シミュレーションは、クロム54を使用した場合、衝突のダイナミクスがこの梨型の安定性によって駆動され、軽い入射核を用いた反応とは根本的に異なるタイプのクアジフィッションを引き起こすことを示しました。
断片の形状に加えて、研究者たちは2つの原子核が分裂する前にどの程度の時間接触しているかについても調査しました。彼らは、入射核の重さと分裂の速度との間に明確な関係があることを見出しました。入射核がカルシウムからチタン、そしてクロムへと重くなるにつれて、原子核が接触している時間は著しく短くなりました。これは、重い入射核ほど多くの電気的な電荷を運んでおり、それが原子核をより速く押し離す強力な反発力を生み出すためです。この急速な分離により、原子核が完全に融合して新しい安定した元素へと落ち着くための時間が少なくなります。研究者たちは、この接触時間の短縮が、科学者がカルシウム入射核からチタンやクロムのようなより重いものへと切り替える際に、新元素の生成成功率が劇的に低下する主要な理由であると示唆しています。
また、この研究は衝突の過程で中性子と陽子のバランスがどのように変化するかについても調べました。彼らは、原子核が非常に速く分裂するとしても、それらが互いに中性子と陽子を非常に効率的に共有していることを見出しました。分離するまでに、2つの断片間の中性子と陽子の比率の差は非常に小さく、研究されたすべての異なる反応において一貫していました。この発見は、他の科学者がこれらの反応のより優れたモデルを構築するために使用できる、精密な微視的制約を提供します。
最終的に、この研究は、超重元素が誕生するか、あるいは形成に失敗するかを決定づける目に見えない力の姿をより鮮明に描き出しています。それは、原子核の内部の殻構造が衝突の設計図として機能し、断片が球状になるか梨型になるかを決定づけることを裏付けています。また、電気的な反発力が作り出す物理的な障壁が、重い入射核による分裂プロセスを加速させることも明らかにしました。これらの知見は、元素119および120を合成しようとする継続的な取り組みにとって不可欠です。どの入射核と標的の組み合わせが成功する可能性が高く、なぜ他の組み合わせが失敗するのかを正確に理解することで、科学者は実験に対してより情報に基づいた選択を行うことができ、周期表における新しい元素の次なる成功的な創出へと導かれる可能性があるのです。
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