⚛️ teoria nuclear

Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the $^{30}$ Si $+^{186}$ W reaction

Este estudo emprega o modelo de sistema dinuclear para demonstrar que, embora a fusão completa domine a formação de resíduos de evaporação na reação $^{30}$ Si+ $^{186}$ W em energias mais baixas, a fusão incompleta via emissão de partículas $\alpha$ torna-se a fonte primária de isótopos de Rn em energias mais altas ( $E_{c.m.} > 128$ MeV), explicando assim com sucesso as seções de choque totais de resíduos de evaporação medidas.

Autores originais: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originais: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No mundo subatômico, onde a matéria é construída a partir de prótons e nêutrons, os cientistas frequentemente tentam construir elementos mais pesados colidindo dois núcleos atômicos mais leves a velocidades incríveis. Quando esses dois núcleos colidem, eles podem se unir para formar um único núcleo composto, maior e altamente excitado. Este novo gigante instável então se resfria ao expelir partículas minúsculas, como nêutrons ou partículas alfa, estabelecendo-se eventualmente como um novo elemento pesado. No entanto, esse processo é repleto de dificuldades. Frequentemente, em vez de se fundirem em um só, os dois núcleos colidindo passam raspando um pelo outro ou se quebram em dois fragmentos diferentes antes mesmo de se unirem totalmente. Essa falha na fusão é um grande obstáculo na busca pela criação dos elementos mais pesados do universo.

Para entender por que essas colisões têm sucesso ou falham, os pesquisadores observam a forma e a orientação dos núcleos envolvidos. Muitos núcleos atômicos não são esferas perfeitas; alguns são achatados como uma panqueca, enquanto outros são alongados como uma bola de rugby. Quando esses núcleos de formas estranhas colidem, o ângulo em que eles se chocam importa imensamente. Além disso, em velocidades muito altas, um núcleo pode não apenas se quebrar em duas metades iguais, mas pode desprender uma pequena peça, como uma partícula alfa, enquanto o restante dele se funde com o alvo. Esse fenômeno, conhecido como fusão incompleta, cria um conjunto diferente de elementos pesados em comparação ao processo padrão de fusão completa. Compreender o equilíbrio entre esses diferentes resultados é crucial para prever quais elementos pesados podem ser feitos e quanto deles pode ser produzido.

Uma equipe de pesquisadores analisou recentemente uma colisão específica entre silício-30 e tungstênio-186 para ver como esses diferentes caminhos de fusão se desenrolam. Ao utilizar um modelo computacional sofisticado que trata os núcleos colidindo como um par temporário de parceiros de dança, eles simularam o que acontece quando esses dois átomos colidem um com o outro. O objetivo era calcular a frequência com que os núcleos se unem completamente, a frequência com que se quebram e a frequência com que sofrem fusão incompleta, onde uma pequena peça é desprendida antes que os corpos principais se unam. Eles focaram em uma gama de energias de colisão, de 107,6 a 172,2 milhões de elétron-volts, uma escala que representa a energia intensa necessária para forçar esses núcleos atômicos a se unirem.

Os pesquisadores descobriram que, em energias de colisão mais baixas, a principal maneira de criar o resíduo pesado desejado é através da fusão completa, onde os dois núcleos se fundem em uma única unidade chamada rádio-216. No entanto, conforme a energia da colisão aumenta além de aproximadamente 128 MeV, a história muda dramaticamente. Nesta faixa de energia mais alta, o processo de fusão incompleta torna-se a fonte dominante dos elementos pesados finais. Neste cenário, o sistema colidindo se quebra de uma forma que libera uma partícula alfa, deixando para trás um núcleo ligeiramente mais leve chamado radônio-212. O estudo mostra que, acima deste limiar de energia, os isótopos de radônio produzidos por fusão incompleta contribuem com mais da metade de todos os resíduos pesados observados.

Essa mudança de dominância explica um enigma de longa data nos dados experimentais. Quando os cientistas medem a quantidade total de material pesado produzido nessas colisões, o número não cai tão rapidamente quanto seria esperado quando a energia se torna muito alta. Se apenas o processo de fusão completa estivesse em operação, a produção de isótopos de rádio cairia drasticamente por um fator de dez à medida que a energia aumenta. No entanto, o rendimento total permanece relativamente estável. Os cálculos dos pesquisadores mostram que o canal de fusão incompleta preenche essa lacuna. Embora a produção de rádio caia acentuadamente, a produção de radônio via fusão incompleta aumenta para compensar, impedindo que o número total de resíduos pesados colapse.

O estudo também esclareceu a natureza das partículas que estão sendo produzidas. Os pesquisadores calcularam que é virtualmente impossível que os isótopos pesados de radônio, especificamente radônio-212 e radônio-211, sejam formados através da rota padrão de fusão completa nestas energias. A energia necessária para desprender uma partícula alfa do núcleo totalmente fundido é simplesmente alta demais. Em vez disso, esses isótopos específicos são quase exclusivamente o resultado do processo de fusão incompleta, onde a partícula alfa é desprendida precocemente durante a colisão, deixando para trás um núcleo de radônio mais "frio" e estável. Essa distinção é tão nítida que detectar esses isótopos específicos de radônio em um experimento serviria como uma assinatura clara de que a fusão incompleta está ocorrendo.

Quando os pesquisadores compararam os resultados de sua simulação com dados experimentais reais, encontraram uma forte concordância nas tendências gerais. O modelo reproduziu com sucesso a diminuição lenta do rendimento total de elementos pesados em altas energias, uma característica que modelos anteriores focados apenas na fusão completa não conseguiram explicar. A probabilidade calculada de os núcleos se fundirem completamente, ao considerar apenas os ângulos de colisão mais eficazes, foi de cerca de 0,75. Isso é ligeiramente superior ao valor de 0,57 derivado de comparações experimentais anteriores, sugerindo que o modelo teórico captura a física da colisão com boa precisão. O trabalho confirma que a fusão incompleta não é apenas um efeito colateral menor, mas um ator principal na formação de elementos pesados nesta reação específica, moldando fundamentalmente o cenário do que pode ser criado em laboratório.

Resumo Técnico: Contribuição da Fusão Incompleta para as Seções de Choque de Resíduos de Evaporação na Reação $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$

Definição do Problema
A formação de resíduos de evaporação (ER) em colisões de íons pesados é um processo complexo que compete com a quasifissão. Embora historicamente se acreditasse que o impedimento à fusão completa torna-se significativo apenas em reações com um produto de números de carga $Z_1Z_2 > 1600$ , dados experimentais para a reação $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ ( $Z_1Z_2 = 1036$ ) sugeriram o contrário. Estudos anteriores indicaram que o rendimento de isótopos de Ra (formados via fusão completa) diminui significamente em energias de excitação mais altas, no entanto, o rendimento total de ER (incluindo isótopos de Rn e Fr) permanece relativamente alto. Essa discrepância sugeriu a presença de um mecanismo além da fusão completa e da quasifissão padrão. Especificamente, Berriman et al. observaram que os resíduos não-Ra poderiam ser afetados pela quebra do projetil em clusters de partículas $\alpha$ em grandes momentos angulares de órbita ( $\ell$ ), levando à fusão incompleta (ICF). A explicação teórica para esse grande rendimento de resíduos não-Ra, particularmente isótopos de Rn, foi o objeto principal desta investigação.

Metodologia
Os autores analisaram a reação $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ dentro da estrutura do modelo de Sistema Dinuclear (DNS), incorporando tanto os mecanismos de fusão completa quanto de ICF.

Captura e Dinâmica: A seção de choque de captura foi calculada resolvendo equações de movimento dinâmicas para a distância relativa e o momento angular orbital, realizando a média sobre os ângulos de orientação dos núcleos deformados $^{30}\text{Si}$ (oblato) e $^{186}\text{W}$ (prolato).
Superfície de Energia Potencial (PES): A evolução do DNS foi governada por uma PES que inclui efeitos de camada. O modelo considerou a competição entre a transferência de nucleons levando à fusão completa e a quebra do DNS via quasifissão.
Mecanismo de Fusão Incompleta: A ICF foi tratada não como uma quebra pré-captura, mas como a quebra do DNS a partir de uma configuração de grande assimetria de massa ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) povoada por transferência de nucleons em grandes $\ell$ . A probabilidade de emissão de partícula $\alpha$ foi calculada com base no povoamento desta configuração específica de DNS e sua taxa de quebra através da barreira de quasifissão.
Desexcitação Estatística: As probabilidades de sobrevivência dos núcleos compostos excitados $^{216}\text{Ra}^*$ (provenientes de fusão completa) e o núcleo conjugado $^{212}\text{Rn}^*$ (formado após a emissão de $\alpha$ em ICF) foram calculadas usando um modelo estatístico. Isso incluiu larguras de emissão de nêutrons, prótons e $\alpha$ , barreiras de fissão (corrigidas pelos fatores de Kramers e Strutinsky) e densidades de níveis com amortecimento de camada.

Principais Contribuições e Resultados

Mecanismo de ICF: O estudo confirma que a ICF nesta reação procede via a formação de uma configuração de DNS de massa assimétrica ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) seguida pela emissão de uma partícula $\alpha$ . Este processo é dominante em grandes momentos angulares de órbita ( $\ell \approx 20\text{--}60\hbar$ ).
Contribuições de Seção de Choque:
- Em baixas energias de colisão ( $E_{c.m.} \lesssim 125$ MeV), a fusão completa é a principal fonte de resíduos de evaporação (isótopos de Ra).
- Acima de $E_{c.m.} \approx 128$ MeV, a contribuição da fusão incompleta torna-se dominante, respondendo por mais da metade da seção de choque total calculada de ER.
- A seção de choque de ICF aumenta em duas ordens de magnitude das energias mais baixas até $E_{c.m.} \approx 120$ MeV, atingindo aproximadamente 30 mb em energias mais altas.
Reprodução de Dados Experimentais:
- A soma das seções de choque de fusão completa (isótopos de Ra) e ICF (isótopos de Rn) reproduz com sucesso a diminuição lenta da seção de choque total medida de ER em altas energias.
- Em contraste, o rendimento de isótopos de Ra sozinho diminui por uma ordem de magnitude nesta faixa de energia.
- A seção de choque total de ER calculada concorda com os dados experimentais dentro de 17% para $E_{c.m.} = 120\text{--}151$ MeV.
Probabilidade de Fusão: A probabilidade de fusão calculada para ondas parciais que contribuem para a formação de ER ( $\ell \leq 30\hbar$ ) é de aproximadamente 0,75. Este valor excede o de $0,57 \pm 0,08$ extraído dos dados experimentais de Berriman et al., sugerindo que a quasifissão impede a fusão completa nesta reação mesmo em $Z_1Z_2 = 1036$ .
Assinaturas Isotópicas: O cálculo dos canais de desexcitação revela que a contribuição da fusão completa para a formação de $^{212}\text{Rn}$ e $^{211}\text{Rn}$ é negligenciável (seções de choque $< 10^{-3}$ mb). Estes isótopos são formados quase exclusivamente via ICF, com seções de choque no canal ICF sendo mais de três ordens de magnitude maiores.

Significância
O artigo demonstra que a fusão incompleta, impulsionada pela quebra de uma configuração de DNS de massa assimétrica em grandes momentos angulares de órbita, é um mecanismo crítico para explicar o rendimento total de resíduos de evaporação na reação $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ . A inclusão do canal de ICF resolve a discrepância entre a queda rápida nos rendimentos de isótopos de Ra e o declínio mais lento do rendimento total de ER observado experimentalmente. Além disso, o estudo identifica a produção de isótopos de $^{212}\text{Rn}$ e $^{211}\text{Rn}$ , coincidentes com partículas $\alpha$ , como uma assinatura distinta do mecanismo de ICF nesta reação, fornecendo um teste potencial para o modelo DNS de fusão incompleta. Os resultados também reforçam a conclusão de que a quasifissão impede significativamente a fusão completa em reações com $Z_1Z_2$ bem abaixo do limiar tradicionalmente aceito de 1600.

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