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

Este estudo utiliza o modelo de sistema dinuclear com parâmetros de entrada microscópicos derivados da teoria funcional da densidade covariante para reproduzir reações de fusão existentes e prever que a reação $^{50}$Ti+$^{249}$Cf apresenta a maior seção de choque de síntese (48,20 fb) para o elemento 120.

O essencial

Imagine que o mundo da física nuclear é como um gigantesco quebra-cabeça cósmico. Há décadas, os cientistas sabem que existe uma "ilha mágica" no meio do oceano de átomos, onde as peças (os núcleos atômicos) se encaixam de forma tão perfeita que ficam incrivelmente estáveis. Essa é a famosa "Ilha da Estabilidade". O problema é que essa ilha é muito difícil de alcançar.

Este artigo é como um mapa de navegação desenhado por cientistas chineses para ajudar a chegar lá, especificamente para encontrar o elemento número 120, que ainda ninguém conseguiu criar com sucesso.

Aqui está a explicação do que eles fizeram, usando analogias do dia a dia:

1. O Problema: Construir um Castelo de Areia Gigante

Para criar um superpesado (um átomo supergigante), os cientistas precisam colidir dois átomos menores em um acelerador de partículas, como se fosse tentar juntar duas bolas de massa para formar uma bola maior.

• O Desafio: A maioria das vezes, quando você tenta juntar essas bolas, elas não colam; elas se chocam e se quebram (isso é a "fissão"). É como tentar empilhar areia molhada em uma tempestade: muito difícil manter a forma.
• A Ferramenta Antiga: Antes, os cientistas usavam "receitas" (modelos teóricos) que misturavam ingredientes de diferentes cozinhas (diferentes teorias). Às vezes, a receita dizia que a massa era de um jeito, mas a temperatura de cozimento vinha de outra teoria. Isso gerava erros, como tentar assar um bolo usando medidas de xícaras e gramas ao mesmo tempo sem converter.

2. A Solução: Uma Cozinha Microscópica Unificada

Neste estudo, os autores (Zhang, Zhang e Chen) decidiram fazer algo diferente. Em vez de pegar receitas soltas, eles criaram uma única cozinha microscópica chamada Teoria do Funcional da Densidade Covariante (CDFT).

• A Analogia: Imagine que você quer prever como um castelo de areia se comportará sob o sol. Em vez de usar um manual antigo para a areia e outro para o sol, eles criaram um simulador de computador superpoderoso que entende a areia, o sol, a umidade e o vento todos de uma vez, de forma consistente.
• O que eles calcularam: Eles usaram esse simulador para calcular as "propriedades vitais" dos átomos que seriam usados na colisão:
  • Quanto eles pesam (Massa).
  • Quanto esforço é necessário para eles se quebrarem (Barreira de Fissão).
  • Como a energia se espalha dentro deles (Densidade de Níveis).
  • Eles fizeram isso considerando o "calor" (temperatura), porque quando os átomos colidem, eles ficam superaquecidos, como um motor de carro em alta velocidade.

3. O Teste de Fogo: Validando o Mapa

Antes de tentar encontrar o elemento 120, eles precisavam ter certeza de que seu novo mapa era preciso.

• Eles testaram o mapa em "ilhas" que já conhecemos: os elementos Nobelium (No) e Flerovium (Fl).
• O Resultado: O mapa deles bateu perfeitamente com os experimentos reais feitos em laboratórios ao redor do mundo. Isso significa que a "cozinha microscópica" deles funciona e as receitas são confiáveis.

4. A Grande Missão: Encontrar o Elemento 120

Com o mapa validado, eles apontaram para o alvo: o Elemento 120. Eles simularam quatro rotas diferentes (quatro combinações de átomos colidentes) para ver qual seria a mais fácil de navegar.

Pense nisso como tentar atravessar uma montanha com quatro caminhos diferentes:

1. Caminho A (Titânio + Califórnio): É o caminho mais largo e seguro.
2. Caminho B (Vanádio + Berquélio): Um pouco mais estreito.
3. Caminho C (Cromo + Cúrio): Já é bem íngreme.
4. Caminho D (Manganês + Amerício): Um caminho muito estreito e perigoso, onde é fácil cair.

O Veredito do Estudo:

• O Caminho A (usando Titânio e Califórnio) é o vencedor. Eles calcularam que a chance de sucesso (o "prêmio") é de cerca de 48 "femtobarns" (uma unidade minúscula, como a chance de acertar um alfinete em um estádio de futebol, mas ainda é a maior chance entre as opções).
• Os outros caminhos têm chances muito menores, especialmente o último, que é quase impossível de dar certo.

5. Por que isso importa?

Este trabalho é crucial porque:

• Economia de Tempo e Dinheiro: Criar esses elementos custa milhões e leva anos. Saber qual "caminho" tem a maior chance de sucesso evita que os cientistas gaste anos tentando o caminho errado.
• Ciência Pura: Se conseguirmos chegar ao Elemento 120, podemos confirmar se a "Ilha da Estabilidade" é real e entender melhor como a matéria é feita no universo.

Resumo Final

Os cientistas criaram um simulador de alta precisão (uma única teoria unificada) para prever como átomos superpesados se comportam quando colidem. Eles provaram que o simulador funciona testando-o em elementos conhecidos e, agora, estão dizendo aos laboratórios do mundo: "Não tentem o caminho de Manganês, ele é muito difícil. Vão direto para o caminho de Titânio e Califórnio, é lá que vocês têm a maior chance de encontrar o Elemento 120!"

É como dar a um explorador não apenas um mapa, mas um GPS que diz exatamente onde a estrada é mais plana e segura para chegar a um tesouro escondido.

Resumo técnico

Título: Mecanismo de síntese do elemento superpesado 120: uma abordagem de modelo de sistema dinuclear com entradas microscópicas

1. O Problema

A síntese de novos elementos superpesados (SHN), particularmente aqueles com números atômicos $Z=119$ e $Z=120$, é um dos desafios mais significativos na física nuclear moderna, visando alcançar a "ilha de estabilidade" prevista pelo modelo de camadas. Embora 15 elementos superpesados tenham sido sintetizados até o momento (de $Z=104$ a $Z=118$), a produção de elementos além de $Z=118$ enfrenta barreiras experimentais severas devido às seções de choque extremamente pequenas e aos custos elevados.

O principal obstáculo teórico reside na precisão dos modelos de previsão. O Modelo de Sistema Dinuclear (DNS) é uma ferramenta poderosa para prever seções de choque de síntese, mas sua acurácia preditiva depende criticamente das "entradas físicas" fornecidas (como massas nucleares, barreiras de fissão, energias de correção de casca e parâmetros de densidade de níveis). Tradicionalmente, essas entradas são derivadas de modelos teóricos distintos (ex: FRDM para massas, modelos macroscópico-microscópicos para barreiras), o que pode introduzir inconsistências e redundâncias no tratamento dos fatores físicos. A necessidade de um quadro teórico autoconsistente, onde todas as entradas sejam geradas a partir de um único modelo microscópico fundamental, é o foco central deste trabalho.

2. Metodologia

Os autores desenvolveram uma abordagem unificada combinando a Teoria do Funcional da Densidade Covariante (CDFT) a temperatura finita com o Modelo de Sistema Dinuclear (DNS).

• Entradas Microscópicas (CDFT):

  • Utilizou-se o funcional de densidade de energia PC-PK1 dentro da estrutura da CDFT a temperatura finita.
  • As correlações de emparelhamento foram tratadas via abordagem BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer).
  • Foram calculadas propriedades termodinâmicas e estruturais para núcleos compostos nas cadeias isotópicas de Nobelium (No, $Z=102$), Flerovium (Fl, $Z=114$) e do Elemento 120.
  • As quantidades extraídas incluem: energias de separação de nêutrons ($S_n$), barreiras de fissão dependentes da temperatura ($B_f(E^*)$), energias de correção de casca ($E_{sh}$), parâmetros de densidade de níveis assintóticos ($\tilde{a}$) e fatores de amortecimento de casca ($E_D$).
  • A densidade de níveis foi ajustada fenomenologicamente para extrair os parâmetros assintóticos, considerando a transição de fase nuclear.

• Modelo de Sistema Dinuclear (DNS):

  • As quantidades microscópicas calculadas acima foram inseridas como parâmetros de entrada no modelo DNS.
  • O modelo calcula a seção de choque de resíduo de evaporação ($\sigma_{ER}$) como a soma sobre momentos angulares, considerando a probabilidade de captura, a probabilidade de fusão ($P_{CN}$) e a probabilidade de sobrevivência do núcleo composto contra a fissão ($W_{sur}$).
  • A sobrevivência é calculada usando um modelo estatístico de evaporação baseado na teoria de Weisskopf, incorporando as barreiras de fissão dependentes da temperatura e energias de separação de nêutrons derivadas da CDFT.

3. Contribuições Chave

• Autoconsistência Teórica: Pela primeira vez, o modelo DNS foi alimentado inteiramente com parâmetros derivados de um único modelo microscópico (CDFT + BCS), eliminando a dependência de modelos híbridos e melhorando a consistência física.
• Validação Experimental: O modelo foi testado e validado contra dados experimentais existentes para reações de fusão fria ($^{48}\text{Ca} + \text{Pb}$) e fusão quente ($^{48}\text{Ca} + \text{Pu}$), demonstrando boa concordância na reprodução das funções de excitação.
• Predição para o Elemento 120: O estudo fornece previsões quantitativas detalhadas para a síntese do elemento 120, identificando as combinações alvo-projétil e canais de evaporação mais promissores.

4. Resultados Principais

• Validação em No e Fl:

  • Para as reações de fusão fria ($^{48}\text{Ca} + ^{204,206-208}\text{Pb} \to \text{No}^*$) e fusão quente ($^{48}\text{Ca} + ^{239,240,242,244}\text{Pu} \to \text{Fl}^*$), os resultados teóricos reproduziram bem os dados experimentais, especialmente nas regiões próximas à barreira de Coulomb.
  • Observou-se que, em energias de excitação mais altas, o modelo tende a superestimar ligeiramente as seções de choque. Os autores atribuem isso ao fato de que as barreiras de fissão obtidas via CDFT decaem mais lentamente com o aumento da energia de excitação do que o observado experimentalmente.

• Síntese do Elemento 120:
  Foram analisadas quatro reações de fusão quente visando o elemento 120. As seções de choque máximas e as energias de excitação ótimas ($E^*_{CN}$) encontradas são:

  Reação Alvo-Projétil	Canal Ótimo	Seção de Choque Máxima ($\sigma_{ER}$)	Energia de Excitação ($E^*_{CN}$)
  $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$	4n ($^{295}120$)	48.20 fb	41 MeV
  $^{51}\text{V} + ^{249}\text{Bk}$	3n ($^{297}120$)	12.33 fb	34 MeV
  $^{54}\text{Cr} + ^{248}\text{Cm}$	3n ($^{299}120$)	5.25 fb	32 MeV
  $^{55}\text{Mn} + ^{243}\text{Am}$	5n ($^{293}120$)	0.47 fb	53 MeV

  • Análise Comparativa: A reação $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ apresenta a maior probabilidade de síntese, superando as outras em até duas ordens de grandeza. A supressão nas reações com projéteis mais pesados (como Cr e Mn) é atribuída à maior simetria entre projétil e alvo, o que reduz a probabilidade de fusão completa devido à necessidade de transferência de um número maior de nucleons.
  • Canais de Evaporação: Diferentemente de reações anteriores, os canais ótimos para o elemento 120 variam significativamente (de 3n a 5n) dependendo do sistema, devido às diferenças sutis nas energias de separação de nêutrons e nas barreiras de fissão.

5. Significado

Este trabalho estabelece um novo padrão para a previsão teórica da síntese de elementos superpesados ao integrar rigorosamente a estrutura nuclear microscópica (CDFT) com a dinâmica de reação (DNS).

• Guia Experimental: As previsões fornecem diretrizes críticas para experimentos futuros em laboratórios como GSI, JINR, RIKEN e IMP, indicando que a reação $^{50}\text{Ti} + ^{249}\text{Cf}$ é a candidata mais viável para a descoberta do elemento 120, com uma seção de choque esperada de cerca de 48 fb.
• Avanço Teórico: A demonstração de que um modelo autoconsistente pode reproduzir dados experimentais com precisão valida o uso da CDFT a temperatura finita como fonte de parâmetros para modelos de reação, abrindo caminho para estudos mais precisos de núcleos ainda não sintetizados.
• Compreensão Física: O estudo reforça a importância das correções de casca e da dependência térmica das barreiras de fissão na determinação da sobrevivência de núcleos superpesados, destacando os desafios contínuos na modelagem precisa da dissipação de energia e da dinâmica de fusão.