The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

In de zoektocht naar het begrijpen van de werkelijke grenzen van materie, proberen kernfysici voortdurend de zwaarste mogelijke atomen te bouwen. Deze superzware elementen bestaan niet in de natuur; ze moeten in een laboratorium worden gecreëerd door twee lichtere atoomkernen met ongelooflijke snelheden tegen elkaar aan te laten botsen. Wanneer zij botsen, fuseren ze soms tot een enkele, massieve en zeer aangeslagen kern. Deze nieuwe creatie is onstabiel, zoals een tol die wankelt op een tafel, en moet snel afkoelen om te overleven. Dit doet het door kleine deeltjes uit te schieten, specifiek neutronen, om overtollige energie af te voeren. Als het erin slaagt af te koelen zonder uit elkaar te vallen, wordt het een nieuw, zwaarder element. Echter, de kans dat dit gebeurt is ongelooflijk klein. De kern vecht constant een strijd tussen twee krachten: de wens om af te koelen door neutronen uit te stoten, en de overweldigende drang om in tweeën te splitsen, een proces dat fissie wordt genoemd. Het verschil tussen het creëren van een nieuw element en het zien verdwijnen ervan in een fractie van een seconde komt vaak neer op een fractie van een seconde en een piepkleine hoeveelheid energie.

Een team onderzoekers in Oezbekistan heeft een frisse blik geworpen op hoe deze afkoelingsstrijd verloopt, specifiek voor een reactie die een isotoop van het element flerovium creëert. Ze richtten zich op een specifieke botsing: een calcium-48 atoomstraal die een doelwit van plutonium-244 raakt. Deze reactie is een van de meest betrouwbare manieren die wetenschappers momenteel hebben om superzware kernen te maken, maar het voorspellen van exact hoeveel van deze nieuwe atomen worden gecreëerd, bleef een moeilijke uitdaging. De onderzoekers ontdekten dat de standaardmanier waarop wetenschappers deze kansen al decennia lang hebben berekend, een cruciaal puzzelstukje miste. Door de manier waarop ze het afkoelingsproces modelleerden te veranderen, ontdekten ze dat de oude methoden de overlevingskansen voor bepaalde uitkomsten aanzienlijk onderschatten, wat onthulde dat de relatie tussen hoeveel neutronen er worden uitgestoten en het risico dat de kern splitst, veel nauwer met elkaar verweven is dan voorheen werd gedacht.

De studie concentreert zich op een specifiek moment in het leven van een superzware kern. Na de initiële botsing waarbij de calcium en het plutonium fuseren, is de resulterende kern heet en draait deze rond. De kern moet energie afvoeren om te overleven. Dit doet het door één voor één neutronen uit te zenden. Bij elke stap in dit afkoelingsproces staat de kern voor een keuze: het kan nog een neutron uitstoten en overleven om de volgende stap te zien, of het kan uit elkaar splitsen en sterven. In het verleden berekenden wetenschappers de waarschijnlijkheid van dit overleven door deze twee keuzes als aparte gebeurtenissen te behandelen. Ze schatten eerst in hoeveel neutronen de kern gemiddeld zou wegwerpen, en berekenden vervolgens afzonderlijk de kans dat de kern bij elke stap langs dat gemiddelde pad zou splitsen. Het was een methode die ervan uitging dat de kern een enkel, voorspelbaar pad volgde.

Het nieuwe onderzoek daagt deze scheiding uit. De auteurs stellen dat de kern niet een enkel gemiddeld pad volgt. In plaats daarvan volgt elke kern in het experiment zijn eigen unieke pad, waarbij verschillende hoeveelheden energie op verschillende momenten worden verloren. Sommige kernen verliezen energie snel en worden vroeg koud; andere blijven langer heet. Het risico op splitsing is het grootst wanneer de kern heet is. Daarom zijn de kernen die lang genoeg overleven om meerdere neutronen uit te zenden, niet de "gemiddelde" hete kernen; het zijn degenen die toevallig koeler bleven dan het gemiddelde. Door het aantal neutronen en het risico op splitsing als onafhankelijke variabelen te behandelen, miste de oude methode dit subtiele filtereffect. Het ging ervan uit dat de overlevers net zo heet waren als het gemiddelde, terwijl in werkelijkheid de overlevers de gelukkige, koelere kernen waren.

Om dit idee te testen, bouwden de onderzoekers een nieuw computermodel dat de gehele populatie kernen volgt, niet alleen een gemiddelde. Ze simuleerden de botsing en volgden duizenden individuele kernen terwijl deze afkoelden, waarbij elke kern zijn eigen beslissingen kon nemen over het wel of niet uitstoten van een neutron of het splitsen. Deze "gekoppelde" aanpak betekende dat het aantal uitgezonden neutronen en de competitie met fissie simultaan voor elke kern werden bepaald, gebaseerd op de werkelijke energie van die kern op dat moment. De resultaten waren opmerkelijk. Voor de specifieke reactie die zij bestudeerden, toonde de nieuwe methode aan dat de kans op het creëren van een specifiek type fleroviumatoom (gevormd door het uitzenden van drie neutronen) veel groter was dan de oude methode voorspelde. Bij bepaalde energieniveaus liet de nieuwe berekening een overlevingskans zien die zeventien tot vierentwintig keer groter was dan de traditionele schatting.

Dit enorme verschil betekende niet dat het totale aantal gecreëerde atomen foutief was, maar eerder dat de distributie van verschillende soorten atomen dat wel was. De oude methode zat er niet alleen een beetje naast; het beoordeelde de relatieve sterkte van verschillende uitkomsten verkeerd. Het onderschatte de waarschijnlijkheid van de drie-neutronen-uitkomst, terwijl het een veel kleiner effect had op de vier-neutronen-uitkomst. Dit suggereert dat de koppeling tussen afkoeling en splitsing de sleutel is tot het begrijpen van waarom sommige reacties meer van het ene isotoop produceren dan het andere. De onderzoekers ontdekten ook dat de exacte hoogte van de energiebarrière die de kern bij elkaar houdt, cruciaal is. Ze testten twee verschillende manieren om deze barrière te berekenen, die verschilden door minder dan één miljoen elektronvolt — een piepkleine hoeveelheid in de wereld van de kernfysica. Toch veranderde dit minieme verschil de voorspelde overlevingskans met meer dan tien keer. Dit benadrukt dat, hoewel de nieuwe methode om het afkoelingsproces te volgen een grote verbetering is, de grootste resterende onzekerheid ligt in de kennis van de precieze kracht van de krachten die deze superzware kernen bij elkaar houden.

Het team vergeleek hun nieuwe berekeningen met echte experimentele gegevens die de afgelopen twee decennia zijn verzameld in laboratoria in Rusland, Duitsland en de Verenigde Staten. Hun nieuwe model, dat rekening houdt met de verbonden aard van afkoeling en splitsing, reproduceerde succesvol acht van de veertien gemeten datapunten binnen een factor twee. Dit is een aanzienlijke verbetering in nauwkeurigheid voor een zo complex systeem. Hoewel het model nog steeds moeite had om de data perfect te matchen aan de stijgende rand van de energiekromme en bij zeer hoge energieën, bood het een veel duidelijker beeld van het proces dan eerdere pogingen. Het werk demonstreert dat om de creatie van superzware elementen echt te kunnen voorspellen, wetenschappers moeten stoppen met het behandelen van het afkoelingsproces als een simpel, lineair gemiddelde en moeten beginnen met het rekening houden met de complexe, individuele reizen van elke enkele kern.

Uiteindelijk verandert deze studie niet alleen een getal; het verandert het begrip van het mechanisme zelf. Het laat zien dat het overleven van een superzware kern geen kwestie is van eenvoudige statistiek toegepast op een gemiddeld pad, maar een complex filterproces waarbij de overlevers een specifieke, koelere subset zijn van de oorspronkelijke populatie. De onderzoekers concluderen dat, hoewel hun nieuwe methode een krachtig instrument is, de weg vooruit een nog nauwkezigere kennis vereist van de aan het werk zijnde kernkrachten. Totdat de exacte sterkte van de fissiebarrière met meer zekerheid bekend is, zullen voorspellingen over hoeveel nieuwe elementen kunnen worden gecreëerd beperkt blijven, ongeacht hoe geavanceerd het computermodel ook wordt. Het werk dient als een herinnering dat in de subatomaire wereld de details van hoe dingen gebeuren even belangrijk zijn als het uiteindelijke resultaat.