Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
本研究采用微观时间相关哈特里-福克理论，对用于合成超重核（Z=112-120）的18个热融合反应中的准裂变动力学进行了分析，揭示了壳效应（特别是球形208Pb和八极形变的Z=88/N=136）支配着碎片形成，而较重的入射束会加速准裂变，从而解释了在尝试创造元素Z=119和Z=120时观察到的融合概率降低现象。
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在探索物质极限的过程中，物理学家们一直在努力构建尽可能重的原子。这些超重元素位于周期表的远端，在地球上并不自然存在；它们必须在实验室中人工合成。为了制造这些元素，科学家们将两个较小的原子核以极高的速度撞击在一起，希望它们能融合成一个更重的单一原子核。然而，这个过程极其困难。当两个原子核碰撞时，它们往往无法粘合在一起。它们并没有合并，而是在短暂接触后立即又分裂开来。这种由于原子核相互作用时间极短便再次分离的特定失效模式被称为“准裂变”（quasifission）。它是阻碍科学家创造目前已知元素（如质子数为118的元素）以上元素的首要障碍。准确理解这种分裂发生的原因和方式，对于迈向下一步旅程——即创造元素119和120——至关重要。
来自中国的一个研究小组对这一过程进行了深入的微观观察，以探究碰撞内部究竟发生了什么。利用基于量子力学定律的强大计算机模拟，他们模拟了十八种旨在制造超重原子核的不同类型的碰撞。他们重点研究了小型、高速运动的入射核撞击大型静止靶核的反应。研究人员特别关注原子核的内部结构如何影响最终结果。他们检查了涉及不同类型入射核的碰撞，包括钙、镧系、钛、钒和铬，旨在创造质子数在112到120之间的元素。
研究表明，这些碰撞的结果并非随机，而是受到原子核内部“壳层”的强烈引导。就像原子中的电子会排列在特定的能量级或壳层中一样，原子核内的质子和中子也倾向于排列成某些稳定的组团。研究人员发现，在使用钙、镧系、钛和钒等较轻的入射核进行碰撞时，系统具有一种强烈的趋势，即以一种使其中一个碎片看起来非常像铅-208的方式发生破碎。铅-208是一个特别稳定的原子核，因为其质子和中子填满了完整的球形壳层。模拟显示，碰撞中的原子核似乎在“瞄准”这种稳定的构型，导致形成的重碎片具有与这种稳定的类铅结构相匹配的特定质子数和中子数。这种行为在所有使用这些较轻入射核的反应中都是一致的，表明存在一种普遍规律。
然而，当研究人员使用较重的入射核——铬-54时，故事发生了变化。在这些碰撞中，引导力量变得不同。系统不再形成球形的类铅碎片，而是表现出产生一个类似于镭-224的重碎片的强烈倾向。这个类镭原子核不是球形的，其形状更像是一个梨。这种形状是由另一种类型的内部稳定性引起的，即质子和中子落入了变形的、八极型（octupole-shaped）的壳层中。模拟表明，当使用铬-54时，碰撞动力学是由这种梨形稳定性驱动的，导致了一种与使用较轻入射核的反应有着本质区别的不同类型的准裂变。
除了碎片的形状之外，研究人员还调查了两个原子核在分裂前保持接触的时间。他们发现入射核的重量与分裂速度之间存在明确的关系。随着入射核变得越来越重，从钙到钛再到铬，原子核相互接触的时间显著缩短。这是因为较重的入射核携带更多的电荷，产生了更强的排斥力，从而更快地将原子核推开。这种快速的分离使得原子核几乎没有时间完全合并并稳定成一个新的稳定元素。研究人员认为，这种缩短的接触时间是为什么当科学家从钙入射核转向钛或铬等较重入射核时，合成新元素的成功率大幅下降的主要原因。
该研究还观察了碰撞过程中中子和质子的平衡变化。他们发现，尽管原子核分裂得非常快，但它们能够非常高效地相互分享中子和质子。在它们分离时，两个碎片之间中子与质子的比例差异非常小且在所有研究的不同反应中都保持一致。这一发现提供了一个精确的微观约束，其他科学家可以利用它来建立更好的反应模型。
最终，这项工作为决定超重元素诞生还是失败形成的无形力量提供了更清晰的图景。它证实了原子核内部的壳层结构起到了蓝图的作用，决定了碎片是球形的还是梨形的。它还强调了由电排斥力造成的物理障碍，这种力量加速了较重入射核的破碎过程。这些见解对于正在进行的合成元素119和120的工作至关重要。通过了解哪些入射核与靶核的组合更有可能成功，以及其他组合为何失败，科学家们可以做出更明智的实验选择，从而有望引导下一次成功创造周期表上新元素的过程。
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