Incomplete fusion in $^{193}$Ir($^{12}$C, x)$^{205}$Bi reaction at $E_{lab}$ $\approx$ 5-7 AMeV

Deze studie onderzoekt incomplete fusie in de $^{12}$C+$^{193}$Ir-reactie bij 5–7 AMeV en toont aan dat de mate van incomplete fusie toeneemt met de massasymmetrie, de Coulombfactor en de neutronenhuiddikte, waarbij de fractie van incomplete fusie varieert tussen 12% en 18%.

De kern

De Dans van de Kernen: Een verhaal over botsingen en 'halve' fusies

Stel je voor dat je een spel speelt met twee soorten ballen: een grote, zware bowlingbal (het doelwit, in dit onderzoek een Iridium-atoom) en een kleine, snelle tennisbal (het projectiel, een Koolstof-atoom).

In de wereld van de natuurkunde proberen wetenschappers deze ballen met enorme snelheid tegen elkaar aan te gooien om te zien wat er gebeurt. Normaal gesproken is het doel een "Complete Fusie": de tennisbal raakt de bowlingbal en wordt er volledig in opgenomen. Ze versmelten tot één nieuwe, grotere bal. Dit is alsof je een klein stukje klei in een grote bal klei gooit en het één geheel maakt.

Maar in dit onderzoek ontdekten de wetenschappers iets anders: de "Incomplete Fusie".

De Metafoor: De 'Lego-crash'

Stel je voor dat de tennisbal eigenlijk geen massieve bal is, maar een klein bouwwerkje van drie Lego-blokjes die heel losjes aan elkaar zitten.

Wanneer de tennisbal met een bepaalde snelheid tegen de bowlingbal botst, gebeurt er iets bijzonders: de klap is zo heftig dat het Lego-bouwwerkje uit elkaar spat vlak voordat het de bowlingbal raakt. Eén blokje vliegt de bowlingbal in (fusie), maar de andere twee blokjes vliegen met een enorme snelheid langs de zijkant weg.

De bowlingbal is nu wel iets zwaarder geworden, maar hij is niet "volledig" gevuld met de tennisbal. Dit noemen de onderzoekers Incomplete Fusie (ICF).

Wat hebben de onderzoekers precies ontdekt?

1. De 'Lego-blokjes' zijn altijd Alfa-deeltjes: De onderzoekers zagen dat dit "uit elkaar spatten" vooral gebeurde bij de vorming van zogenaamde alfa-deeltjes. Het lijkt erop dat de Koolstof-bal (de tennisbal) eigenlijk een verzameling van kleine groepjes is die heel makkelijk loslaten.
2. Hoe harder de worp, hoe meer chaos: Hoe hoger de energie (de snelheid van de worp), hoe vaker de tennisbal uit elkaar spat in plaats van netjes versmelt. In dit onderzoek zag men dat dit effect toenam van 12% naar 18%.
3. De 'huid' van de bowlingbal telt mee: De onderzoekers ontdekten dat de dikte van de 'neutronenhuid' van de bowlingbal (een soort zachte buitenlaag van het atoom) invloed heeft. Hoe dikker die laag, hoe vaker de deeltjes uit elkaar spatten.
4. De grens is niet scherp: In oude modellen dachten we dat er een harde grens was: onder een bepaalde snelheid versmelt alles netjes, boven die snelheid spat het uit elkaar. Dit onderzoek laat zien dat de grens "wazig" is. Zelfs bij snelheden die eigenlijk "veilig" zouden moeten zijn, begint de chaos al.

Waarom is dit belangrijk?

Je vraagt je misschien af: "Wat heb ik aan een botsende Lego-bal?"

Wetenschappers gebruiken deze botsingen om nieuwe, zware elementen te maken die in de natuur niet voorkomen. Als we niet precies weten of een botsing "compleet" of "incomplete" is, kunnen we niet voorspellen welke nieuwe stoffen we maken. Dit is cruciaal voor de medische wetenschap (bijvoorbeeld voor nieuwe behandelingen tegen kanker) en voor ons begrip van hoe sterren werken.

Kortom: De onderzoekers hebben laten zien dat atomen bij een botsing veel grilliger en "brozer" zijn dan we dachten, en dat de structuur van de kleine deeltjes een enorme rol speelt in hoe ze samensmelten.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Onvolledige fusie in de $^{193}\text{Ir}(^{12}\text{C}, x)^{205}\text{Bi}$ reactie bij $E_{\text{lab}} \approx 5\text{--}7$ AMeV

1. Probleemstelling

Bij zware-ionenreacties met lage energie is het proces van volledige fusie (Complete Fusion, CF), waarbij het projectiel en het doelwit volledig samensmelten tot een geëxciteerde samengestelde kern (CN), dominant. Echter, bij hogere impulsmomenten ($\ell$) kan onvolledige fusie (Incomplete Fusion, ICF) optreden. Hierbij valt het projectiel uiteen (breakup) voordat de fusie voltooid is, waarbij slechts een deel van de nucleonen met het doelwit fuseert.

Hoewel ICF bij hogere energieën ($> 10$ AMeV) redelijk begrepen is, blijft de dynamiek bij zeer lage energieën ($3\text{--}5$ AMeV) onduidelijk. Specifiek is de afhankelijkheid van de ICF-fractie ($\text{FICF}$) van parameters van het invoerkanaal (zoals massasymmetrie, Coulomb-factor en neutronenhuid) in dit specifieke energiebereik nog niet volledig in kaart gebracht.

2. Methodologie

De onderzoekers voerden experimenten uit bij het Inter-University Accelerator Centre (IUAC) in New Delhi.

• Reactiesysteem: $^{12}\text{C}$ projectielen op $^{193}\text{Ir}$ doelen.
• Energiebereik: $E_{\text{lab}} \approx 64\text{--}84$ MeV ($\approx 5\text{--}7$ AMeV).
• Techniek: De stacked-foil activation techniek werd gebruikt, gevolgd door offline $\gamma$-spectroscopie met hoogresolutie HPGe-detectoren.
• Analyse: De gemeten excitatiefuncties (EFs) van verschillende verdampingsresiduen (ERs) werden geanalyseerd met behulp van de statistische modelcode PACE4. Hierbij werd gezocht naar de optimale energiedichtheidsparameter ($a = A/K$ MeV$^{-1}$) om de CF-bijdrage te modelleren. Discrepanties tussen de experimentele data en de PACE4-voorspellingen werden geïdentificeerd als indicatoren voor ICF.

3. Belangrijkste Resultaten

• Identificatie van CF-kanalen: De neutronen-emissieve kanalen ($xn$) en proton-neutron kanalen ($pxn$) werden goed beschreven door PACE4 met $a = A/13$ MeV$^{-1}$. Dit bevestigt dat deze residuen voornamelijk via volledige fusie worden gevormd.
• Bewijs voor ICF: De $\alpha$-emissieve kanalen ($\alpha xn$ en $2\alpha n$) vertoonden een significante verhoging (tot twee ordes van grootte) ten opzichte van de PACE4-voorspellingen. Dit is een direct bewijs voor de aanwezigheid van ICF door projectiel-breakup.
• FICF Trends: De onvolledige fusiefractie ($\text{FICF}$) nam lineair toe met de energie, van ongeveer 12% bij 64 MeV naar 18% bij 84 MeV.
• Invoerkanaal-parameters: De $\text{FICF}$ bleek te toenemen met:
  1. Massasymmetrie ($\mu_m$): Grotere asymmetrie bevordert ICF.
  2. Coulomb-factor ($Z_P Z_T$): Een sterkere Coulomb-interactie verhoogt de kans op breakup.
  3. Neutronenhuid-dikte ($t_N$): Een dikkere neutronenhuid van het doelwit verhoogt de ICF-waarschijnlijkheid.
• Projectielstructuur: De onderzoekers stelden vast dat de $\alpha$-scheidingsenergie ($Q_\alpha$) een cruciale rol speelt. Projectielen met een minder negatieve $Q_\alpha$ (zoals $^{12}\text{C}$) vertonen een hogere ICF-fractie dan projectielen zoals $^{13}\text{C}$.
• Impulsmoment ($\ell$): De data suggereren dat ICF optreedt bij impulsmomenten die zelfs onder de kritische waarde $\ell_{\text{crit}}$ liggen ($\ell < \ell_{\text{crit}}$), wat wijst op een diffuse grens in de fusiewindow.
• Fusie-onderdrukking: De projectiel-breakup onderdrukt de volledige fusie met ongeveer 12% (volgens de Universal Fusion Function, UFF) tot 6% (volgens de Improved Fusion Function, IFF).

4. Betekenis en Conclusie

Dit onderzoek levert kwantitatieve beperkingen aan de dynamica van breakup fusion bij lage energieën. De belangrijkste bijdragen zijn:

1. Het aantonen dat de projectielstructuur (met name de $\alpha$-cluster configuratie en $Q_\alpha$-waarde) bepalend is voor de ICF-sterkte.
2. Het corrigeren van eerdere modellen door aan te tonen dat de $\ell$-afhankelijkheid van de barrièreparameters (via de IFF-methode) een nauwkeuriger beeld geeft van de fusie-onderdrukking.
3. Het bieden van inzicht in de complexiteit van reactiemodellen die nodig zijn voor astrofysische reactiesnelheden en hoog-spin spectroscopie.

De resultaten benadrukken dat een enkelvoudige parameter (zoals alleen de Coulomb-factor) onvoldoende is om ICF te verklaren; een combinatie van massasymmetrie, projectielstructuur en de neutronenhuid van het doelwit is noodzakelijk voor een correcte beschrijving.