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

Dit artikel presenteert een berekening van de synthese van superzwaar element 120 met behulp van een microscopisch ingevoerde dinucleair-systeemmodelbenadering, waarbij de maximale doorsneden voor vier specifieke reactiepaden worden voorspeld.

De kern

Stel je voor dat de atomen in ons universum als een gigantisch stadsplan zijn. De meeste huizen (atomen) die we kennen, zijn stevig gebouwd en staan veilig in de wijk. Maar er is een gerucht dat er, heel ver weg op dit stadsplan, een eiland ligt waar de huizen nog sterker en onkwetsbaarder zijn. Dit wordt in de wetenschap het "eiland van stabiliteit" genoemd.

Deze wetenschappers (Zhang, Zhang en Chen) zijn op zoek naar de sleutel om een nieuw, extreem zwaar huis te bouwen op dat eiland: Element 120.

Hier is hoe ze dat aanpakken, vertaald in alledaagse taal:

1. Het Grote Probleem: Bouwen op een vulkaan

Het bouwen van deze superzware elementen is als proberen een kasteel te bouwen op een vulkaan die net uitbarst. Als je twee atomen tegen elkaar duwt om ze te laten samensmelten (zoals twee auto's die tegen elkaar rijden om één grote auto te maken), is de kans enorm groot dat ze uit elkaar spatten of dat het nieuwe kasteel direct instort (het atoom valt uit elkaar door 'splijting').

De kans dat het lukt is zo klein, dat je het moet vergelijken met het vinden van één specifiek zandkorreltje op alle stranden van de wereld. Experimenteel is dit dus duur, tijdrovend en moeilijk.

2. De Oplossing: Een digitale simulatie

Omdat ze niet zomaar elke mogelijke combinatie van atomen kunnen proberen in het lab, bouwen de auteurs een superkrachtige digitale simulator. Ze gebruiken een model dat ze het "Dinucleair Systeem" noemen.

• De Analogie: Stel je voor dat je twee balletjes (atomen) tegen elkaar wilt laten rollen om ze te laten plakken. Je moet weten hoe zwaar ze zijn, hoe plakkerig ze zijn, en hoe snel ze moeten rollen. Als ze te snel rollen, stuiteren ze af. Als ze te traag zijn, plakken ze niet.
• De oude methode: Vroeger gebruikten wetenschappers verschillende boeken met verschillende tabellen om deze eigenschappen te vinden. Het was alsof je voor het gewicht van de balletjes naar de ene bibliotheek ging, voor de plakkracht naar de tweede, en voor de snelheid naar de derde. Soms klopten de cijfers uit die boeken niet goed met elkaar.
• De nieuwe methode (in dit papier): Deze auteurs zeggen: "Laten we alles uit één bron halen!" Ze gebruiken een geavanceerde wiskundige theorie (CDFT) om alle eigenschappen van de atomen zelf te berekenen, alsof ze een digitale atoomfabriek hebben die alles perfect op elkaar afstemt. Dit maakt hun simulatie veel betrouwbaarder.

3. De Test: Oefenen met bekende elementen

Voordat ze gaan zoeken naar het nieuwe Element 120, testen ze hun simulator met elementen die we al kennen, zoals Nobelium (No) en Flerovium (Fl).

• Ze draaien hun simulatie en kijken of de uitkomsten overeenkomen met wat experimentele wetenschappers in het lab hebben gemeten.
• Resultaat: Het werkt! Hun digitale simulatie klopt bijna perfect met de echte wereld. Dit betekent dat ze hun simulator kunnen vertrouwen voor de echte uitdaging.

4. De Grote Droom: Element 120

Nu gaan ze op zoek naar de beste manier om Element 120 te maken. Ze kijken naar vier verschillende "recepten" (combinaties van projectielen en doelen):

1. Titanium + Californium
2. Vanadium + Berkelium
3. Chroom + Curium
4. Mangaan + Americium

Ze draaien de simulatie voor elk recept en kijken welke combinatie de meeste kans van slagen heeft.

De uitkomst:
Het is alsof ze vier verschillende routes naar een bergtop hebben getest.

• De route met Titanium en Californium bleek de beste te zijn. Het heeft de hoogste kans van slagen (ongeveer 48 "zeer kleine eenheden" kans).
• De route met Mangaan en Americium was de slechtste; de kans is daar bijna nul.

Waarom is dit belangrijk?

Deze paper is als een uitgebreide reisgids voor toekomstige wetenschappers. In plaats van dat ze blindelings in het donker rondlopen en duizenden dure experimenten doen die waarschijnlijk mislukken, geven deze auteurs hen een kaart.

Ze zeggen: "Als je Element 120 wilt maken, gebruik dan Titanium en Californium, en zorg dat je ze precies op deze snelheid tegen elkaar laat botsen."

Dit bespaart tijd, geld en energie, en brengt ons een stap dichter naar het ontdekken van de mysterieuze huizen op het "eiland van stabiliteit", waar de natuurkunde misschien wel andere regels volgt dan we nu kennen.

Technische samenvatting

Titel: Synthesemechanisme van superzwaar element 120: een benadering met het model van een dinucleair systeem met microscopische inputs

1. Het Probleem

De synthese van nieuwe superzware elementen (SZE), met name die met atoomnummers $Z=119$ en $Z=120$, is een van de meest uitdagende gebieden in de kernfysica. Hoewel er in de afgelopen decennia 15 nieuwe elementen zijn gesynthetiseerd (tot $Z=118$), blijft de productie van element 120 een enorme uitdaging vanwege de extreem kleine synthese-waarschijnlijkheden (kruisdoorsneden).
Het huidige theoretische landschap voor het voorspellen van deze kruisdoorsneden is vaak gebaseerd op modellen die inputs gebruiken uit verschillende, niet-gecoördineerde theoretische kaders (bijvoorbeeld massa's uit het FRDM-model, fissiedempers uit macroscopisch-microscopische modellen, en schilcorrecties uit de Strutinsky-methode). Deze "mix-and-match" aanpak kan leiden tot inconsistenties en onzekerheden in de voorspellende kracht van de modellen, wat experimentele richtlijnen bemoeilijkt. Er is behoefte aan een zelfconsistent theoretisch kader dat alle essentiële fysische inputs op microscopische basis genereert.

2. Methodologie

De auteurs combineren twee geavanceerde theoretische benaderingen om een zelfconsistent model te creëren:

• Finite-Temperature Covariant Density Functional Theory (FT-CDFT):

  • Dit model wordt gebruikt om de fundamentele kernstructureigenschappen te berekenen.
  • Er wordt gebruikgemaakt van de PC-PK1 energiedichtheidsfunctional.
  • Paarcorrelaties worden behandeld via de BCS-benadering (Bardeen-Cooper-Schrieffer).
  • Hieruit worden de volgende essentiële inputs afgeleid voor diverse isotopen van No (Nobelium), Fl (Flerovium) en element 120:
    • Enkel-neutron afscheidingsenergieën ($S_n$).
    • Fissiedempers ($B_f$) als functie van excitatie-energie.
    • Schilcorrectie-energieën ($E_{sh}$).
    • Asymptotische dichtheidsparameters ($\tilde{a}$) en schil-dempingsfactoren ($E_D$).
  • De berekeningen omvatten de analyse van vrije-energieoppervlakken in het $(\beta_2, \gamma)$-deformatievlak bij verschillende temperaturen.

• Dinucleair Systeem (DNS) Model:

  • Dit model beschrijft de dynamica van zware ionenreacties (vangst, fusie en overleving van het samengestelde kern).
  • De synthese-kruisdoorsnede ($\sigma_{ER}$) wordt berekend als een som over impulsmomenten ($J$), afhankelijk van:
    • De waarschijnlijkheid van het passeren van de Coulomb-barrière ($T$).
    • De fusiewaarschijnlijkheid ($P_{CN}$).
    • De overlevingswaarschijnlijkheid tegen fissie na verdamping van neutronen ($W_{sur}$).
  • Innovatie: In plaats van empirische waarden of inputs uit verschillende modellen, worden de DNS-berekeningen volledig gevoed met de microscopische inputs die uit de FT-CDFT zijn gegenereerd.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Zelfconsistentie: Het artikel introduceert een unificatie waarbij alle inputparameters voor het DNS-model (massa's, barrières, schil-effecten, dichtheidsparameters) uit één enkel microscopisch raamwerk (FT-CDFT met PC-PK1) worden gehaald. Dit elimineert redundantie en tegenstrijdigheden tussen verschillende theoretische benaderingen.
• Validatie: Het model wordt eerst gevalideerd tegen bestaande experimentele data voor de synthese van isotopen van Nobelium (No, via koude fusie) en Flerovium (Fl, via hete fusie).
• Voorspelling voor Element 120: Voor het eerst worden systematische voorspellingen gedaan voor de synthese van element 120 met vier specifieke projectiel-doelcombinaties, gebaseerd op deze geoptimaliseerde inputs.

4. Resultaten

• Validatie (No en Fl):

  • De berekende excitatiefuncties voor koude fusiereacties ($^{48}\text{Ca} + \text{Pb}$-isotopen) en hete fusiereacties ($^{48}\text{Ca} + \text{Pu}$-isotopen) tonen een goede overeenkomst met experimentele data, vooral rondom de piek van de Coulomb-barrière.
  • Een kleine discrepantie wordt opgemerkt bij hoge excitatie-energieën: de theoretische kruisdoorsneden dalen trager dan de experimentele waarden. De auteurs attribueren dit aan het feit dat de microscopisch berekende fissiedempers bij hoge temperaturen iets trager afnemen dan in de werkelijkheid het geval lijkt te zijn.

• Voorspellingen voor Element 120:
  De auteurs berekenen de maximale synthese-kruisdoorsneden ($\sigma_{ER}$) voor vier reactiesystemen. De resultaten zijn als volgt (geordend van meest naar minst veelbelovend):

  1. $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf} \to ^{295}\text{120} + 4n$

     • Maximale kruisdoorsnede: 48.20 fb (femtobarn).
     • Optimale excitatie-energie ($E^*_{CN}$): 41 MeV.
     • Dit wordt geïdentificeerd als de meest veelbelovende reactie.

  2. $^{51}\text{V} + ^{249}\text{Bk} \to ^{297}\text{120} + 3n$

     • Maximale kruisdoorsnede: 12.33 fb.
     • Optimale excitatie-energie: 34 MeV.

  3. $^{54}\text{Cr} + ^{248}\text{Cm} \to ^{299}\text{120} + 3n$

     • Maximale kruisdoorsnede: 5.25 fb.
     • Optimale excitatie-energie: 32 MeV.

  4. $^{55}\text{Mn} + ^{243}\text{Am} \to ^{293}\text{120} + 5n$

     • Maximale kruisdoorsnede: 0.47 fb.
     • Optimale excitatie-energie: 53 MeV.

• Analyse van Trends:

  • Er is een duidelijke afname van de kruisdoorsnede naarmate het projectiel zwaarder wordt (van Ti naar Mn). Dit wordt toegeschreven aan de toenemende symmetrie tussen projectiel en doel, wat de fusiewaarschijnlijkheid verlaagt omdat er meer nucleonen moeten worden overgedragen om de samengestelde kern te vormen.
  • De optimale excitatie-energieën variëren sterk tussen de reacties, voornamelijk beïnvloed door de fissiedempers en neutronenafscheidingsenergieën.

5. Betekenis en Conclusie

De studie levert een robuust theoretisch fundament voor de zoektocht naar element 120. Door de DNS-modelberekeningen te koppelen aan een volledig microscopisch gegenereerde set van inputparameters, bieden de auteurs een betrouwbaardere voorspelling dan eerder empirisch gefundeerde modellen.

De conclusie is dat de reactie $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ de grootste kans van slagen heeft, met een voorspelde kruisdoorsnede van bijna 50 fb. Hoewel dit nog steeds een extreem klein getal is (wat betekent dat het experimenteel zeer moeilijk is om atomen te detecteren), biedt deze studie experimentatoren cruciale richtlijnen voor het kiezen van de juiste projectiel-doelcombinatie en het instellen van de straalenergie. De resultaten onderstrepen het belang van zelfconsistentie in theoretische kernmodellen bij het verkennen van het "eiland van stabiliteit".