Microscopic Investigation of Fusion and Quasifission Dynamics

Dit artikel introduceert de toepassing van de tijd-afhankelijke Hartree-Fock-theorie om de dynamica van fusie en quasifissie in zware ionreacties voor de productie van zware elementen te onderzoeken, waarbij de berekende fusieparameters voor $^{48}$Ca+$^{238}$U overeenstemmen met experimentele data en de invloed van tensorkrachten op de schaleffecten bij $^{48}$Ca+$^{249}$Bk wordt geanalyseerd.

De kern

De Microscopische Dans van atoomkernen: Hoe we de zwaarste elementen van het heelal proberen te maken

Stel je voor dat je twee enorme, zware balletjes hebt die je tegen elkaar wilt laten botsen om een nog groter, nieuw balletje te maken. In de wereld van de kernfysica zijn dit atoomkernen, en het doel is om de allerzwaarste elementen te creëren die we ons kunnen voorstellen: de "superzware elementen".

Deze paper van Liang Li en zijn collega's vertelt het verhaal van hoe ze met een zeer geavanceerde computer-simulatie (een soort digitale tijdreis) proberen uit te vinden waarom het soms lukt om deze nieuwe elementen te maken, en waarom het vaak mislukt.

Hier is de uitleg, vertaald naar alledaagse taal:

1. Het Grote Probleem: De "Scheur" in plaats van de "Scheur"

Om een nieuw, superzwaar element te maken, moeten twee zware atoomkernen (zoals een stukje Calcium en een stukje Uranium) tegen elkaar botsen.

• Het ideale scenario (Fusie): De twee kernen botsen, plakken aan elkaar, vormen één grote, stabiele bal en worden tot één nieuw element. Dit is als twee druppels water die samenvloeien tot één grote druppel.
• Het echte probleem (Quasifissie): Vaak gebeurt er iets anders. De kernen botsen, raken elkaar, maar in plaats van te blijven plakken, "schieten" ze weer uit elkaar, alsof ze een elastiekje hebben opgerekt en het te ver hebben getrokken. Ze scheuren direct weer uit elkaar in twee stukken. Dit noemen ze quasifissie.

De onderzoekers zeggen: "Quasifissie is de boze vijand." Het is de reden waarom het zo moeilijk is om elementen te maken die zwaarder zijn dan die we nu al hebben. De elektrische afstoting tussen de twee zware kernen is zo groot, dat ze liever uit elkaar springen dan samen te blijven.

2. De Digitale Simulatie: De TDHF-methode

Hoe kun je dit voorspellen zonder constant in een laboratorium te werken? De auteurs gebruiken een theorie genaamd TDHF (Tijd-afhankelijke Hartree-Fock).

Stel je dit voor als een extreem gedetailleerde animatiefilm van atoomkernen. In plaats van de kernen als harde balletjes te zien, kijken ze naar de "wolk" van protonen en neutronen die de kern vormen. De computer rekent uit hoe deze wolk beweegt, vervormt en reageert op de andere kern, seconde voor seconde.

Ze gebruiken deze simulatie voor twee dingen:

1. Het "Vangst"-stadium: Kunnen de kernen elkaar überhaupt vinden en raken ze elkaar?
2. Het "Samenblijven"-stadium: Blijven ze plakken of springen ze uit elkaar?

3. Het Experiment 1: De "Tip" en de "Zijkant" (48Ca + 238U)

In het eerste deel van het onderzoek kijken ze naar een botsing tussen Calcium-48 en Uranium-238.

• De Analogie: Stel je voor dat Uranium geen perfecte bal is, maar een rugbybal (iets langwerpig).
• Als je de rugbybal op zijn punt (de "tip") tegen de andere bal duwt, is het makkelijker om binnen te komen. De afstotende kracht is hier minder.
• Als je de rugbybal op zijn zijkant (de "side") duwt, is het moeilijker; je botst tegen een breder oppervlak.

De computer laat zien dat als je de "punt" van de Uranium-kern gebruikt, de kans om een nieuw element te maken veel groter is. Hun berekeningen kwamen perfect overeen met wat wetenschappers in het echt hebben gemeten. Dit bevestigt dat hun digitale model werkt.

4. Het Experiment 2: De "Kracht van de Magie" (48Ca + 249Bk)

In het tweede deel kijken ze naar een botsing met een nog zwaardere kern: Berkelium. Hier proberen ze te begrijpen waarom sommige stukken die uit elkaar springen (bij quasifissie) er net anders uitzien dan andere.

Ze gebruiken hier een speciaal ingrediënt in hun computermodel: de tensorkracht.

• De Analogie: Stel je voor dat atoomkernen uit blokken bestaan. Sommige blokken passen perfect in elkaar omdat ze "magische" vormen hebben (dit zijn de zogenaamde "magische getallen" in de kernfysica, zoals 82 of 126).
• De onderzoekers ontdekten dat als je de tensorkracht in je berekening meeneemt, deze "magische vormen" veel sterker worden. Het is alsof je de magnetische kracht van die magische blokken versterkt.

Het resultaat:
Zonder deze kracht springen de stukken uit elkaar in willekeurige vormen. Maar met de tensorkracht zie je dat de stukken die uit elkaar springen, zich bewust "vastklampen" aan die magische vormen. Ze proberen bijvoorbeeld een stuk te maken dat lijkt op het heel stabiele lood-208 (een dubbel magisch element). De tensorkracht maakt de "magie" van de atoomkernen sterker en beïnvloedt dus hoe de kernen uit elkaar vallen.

Conclusie: Waarom is dit belangrijk?

Deze paper is als een bouwplan voor de toekomst.

1. Het laat zien dat we met onze digitale modellen heel goed kunnen voorspellen hoe zware atoomkernen zich gedragen.
2. Het bewijst dat de "magische" eigenschappen van atoomkernen (de schillen) enorm belangrijk zijn, en dat we een specifiek type kracht (de tensorkracht) nodig hebben om dit goed te begrijpen.

Als we dit beter begrijpen, kunnen we in de toekomst beter voorspellen welke botsingen de meeste kans van slagen hebben om de volgende elementen op het periodiek systeem (zoals element 119 of 120) te maken. Het is een stap dichter bij het vinden van de "heilige graal" van de zware elementen.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "Microscopic Investigation of Fusion and Quasifission Dynamics" in het Nederlands:

Titel: Microscopisch Onderzoek naar Fusie- en Kwartfissiedynamica

Auteurs: Liang Li, Xiang-Xiang Sun en Lu Guo (Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen).

---

1. Het Probleem

De synthese van superzware elementen (SHE's, tot nu toe tot Z=118) is een van de meest actieve fronten in de moderne kernfysica. De grootste uitdaging bij het produceren van nog zwaardere elementen (Z=119 en Z=120) is de prevalentie van kwartfissie (quasifission, QF).

• Fusie vs. Kwartfissie: Bij een succesvolle fusie vormen de botsende kernen een volledig geëquilibreerde samengestelde kern (CN) die vervolgens kan verdampen tot een stabiel SHE. Bij kwartfissie echter, botsen de kernen wel de capture-barrière over, maar smelten ze niet volledig samen; ze scheiden zich na een korte interactietijd weer op in twee fragmenten.
• De Uitdaging: Kwartfissie is een niet-equilibriumproces dat de vorming van de samengestelde kern sterk onderdrukt, vooral in zware systemen waar de Coulomb-afstoting enorm is.
• Theoretische Onzekerheid: Bestaande macroscopische modellen kunnen vaak alleen beschrijven wat al bekend is (door aanpassing van parameters), maar hebben weinig voorspellende kracht voor ongemeten systemen. De vorming van de samengestelde kern ($P_{CN}$) blijft de grootste bron van theoretische onzekerheid, met voorspellingen die soms meerdere ordes van grootte verschillen.

2. Methodologie

De auteurs hanteren een hybride microscopische benadering die Time-Dependent Hartree-Fock (TDHF) theorie combineert met semi-klassieke en statistische modellen om het volledige fusie-verdampingsproces te simuleren.

• TDHF-theorie: De dynamiek wordt beschreven door de evolutie van de één-deeltjesdichtheid ($\hat{\rho}$) via de TDHF-vergelijking. Dit biedt inzicht in de onderliggende dynamica zonder aanpassingsparameters.
• Innameproces (Capture):
  • Voor de reactie $^{48}\text{Ca} + ^{238}\text{U}$ (waarbij $^{238}\text{U}$ sterk deformeerd is) wordt de Density Constrained Frozen HF (DC-FHF) methode gebruikt.
  • Hiermee worden internucleaire potentialen berekend als functie van de oriëntatie van het doelwit.
  • Deze potentialen worden ingevoerd in de CCFULL-code (gekoppelde kanalen) om de penetratiekansen en vangstcross-sections ($\sigma_{cap}$) te berekenen, inclusief oriëntatiegemiddelden.
• Vorming van de Samengestelde Kern:
  • De Fusion-by-Diffusion (FbD) methode wordt gebruikt om de fusiekans ($P_{CN}$) te berekenen.
  • Een cruciale input, de "injectieafstand" (waar de diffusie begint), wordt direct uit de TDHF-simulaties gehaald, wat de modelafhankelijkheid verkleint.
• Overleving en Verdamping:
  • De overlevingskans van de samengestelde kern tegen fissie ($W_{sur}$) wordt berekend met een statistisch model dat de concurrentie tussen neutronenemissie en fissie simuleert.
  • De uiteindelijke cross-sections voor verdampingsresten (Evaporation Residues, ER) worden verkregen door de drie stappen te combineren: $\sigma_{ER} = \sigma_{cap} \times P_{CN} \times W_{sur}$.
• Kwartfissie-analyse ($^{48}\text{Ca} + ^{249}\text{Bk}$):
  • Voor de QF-studie worden uitgebreide TDHF-simulaties uitgevoerd voor verschillende impactparameters en oriëntaties.
  • Er wordt een vergelijking gemaakt tussen twee Skyrme-krachten: SLy5 (zonder tensorkracht) en SLy5t (met tensorkracht), om het specifieke effect van de tensorkracht op de fragmentverdeling te isoleren.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Validatie van een Hybride Framework: De auteurs tonen aan dat het combineren van microscopische TDHF-simulaties met gekoppelde-kanalenberekeningen, het FbD-model en statistische modellen een robuust kader biedt voor het voorspellen van SHE-synthese cross-sections.
• Rol van de Tensorkracht: Het artikel levert kwantitatief bewijs dat de tensorkracht in de nucleaire interactie een fundamentele rol speelt in kwartfissie-dynamica, specifiek door de invloed van bolvormige schaleffecten te versterken.
• Oriëntatie-effecten: Er wordt gedetailleerd inzicht gegeven in hoe de deformatie van doelwitten (zoals $^{238}\text{U}$) de vangst- en fusiekansen beïnvloedt, waarbij "tip"-botsingen (aan de punt) aanzienlijk gunstiger zijn dan "side"-botsingen.

4. Resultaten

A. Fusie in $^{48}\text{Ca} + ^{238}\text{U}$:

• Vangst: De berekende vangstcross-sections ($\sigma_{cap}$) komen uitstekend overeen met experimentele data, vooral bij sub-barrière energieën, en presteren beter dan empirische modellen.
• Fusiekans: De effectieve fusiekans ($P_{fus}$) ligt in de orde van $10^{-4}$, wat consistent is met experimentele waarden.
• Verdampingsresten: De berekende cross-sections voor de 3n- en 4n-kanalen (productie van elementen rond Z=118) vertonen een goede overeenstemming met beschikbare experimentele data. Dit valideert het gebruikte hybride model.

B. Kwartfissie in $^{48}\text{Ca} + ^{249}\text{Bk}$:

• Invloed van de Tensorkracht:
  • Simulaties met de tensorkracht (SLy5t) tonen een duidelijke clustering van kwartfissie-fragmenten rond de magische schalen N=126 (neutronen) en Z=82 (protonen).
  • Zonder tensorkracht (SLy5) verschuift de piek van de fragmentverdeling naar lagere waarden (N≈122, Z≈79).
• Conclusie: De tensorkracht versterkt de kwantum-schaleffecten aanzienlijk. Dit drijft de dynamica van kwartfissie sterker in de richting van de productie van fragmenten in de buurt van de dubbel-magische kern $^{208}\text{Pb}$.

5. Betekenis en Conclusie

Dit onderzoek is van groot belang voor de toekomstige zoektocht naar elementen Z=119 en Z=120.

1. Betrouwbare Voorspellingen: Het ontwikkelde microscopische framework biedt een betrouwbare methode om de synthese-kansen van nieuwe superzware elementen te voorspellen zonder te vertrouwen op louter empirische aanpassingen.
2. Fundamenteel Inzicht: De studie bevestigt dat de tensorkracht een essentiële component is in de nucleaire interactie die de vorming van zware kernen en de verdeling van kwartfissie-fragmenten direct beïnvloedt.
3. Strategische Implicaties: Door te begrijpen hoe schaleffecten en tensorkrachten de competitie tussen fusie en kwartfissie bepalen, kunnen onderzoekers beter gerichte experimenten ontwerpen (bijvoorbeeld door specifieke projectielen en doelwitten te kiezen) om de kans op succesvolle synthese van de zwaarste elementen te maximaliseren.