Synteza jądrowa to po prostu proces łączenia dwóch lżejszych jąder atomu w jedno cięższe. Niektóre pierwiastki powstają wyłącznie w warunkach laboratoryjnych, właśnie na skutek przeprowadzenia reakcji syntezy. Oczywiście jądra to obiekty o bogatej strukturze wewnętrznej – zwłaszcza te ciężkie – dlatego szczegóły tego zjawiska wciąż stanowią wyzwanie dla teoretyków.
Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych opublikowali nowy opis fuzji zachodzących wewnątrz akceleratora. Konkretniej chodzi o reakcje, w których przyśpieszone jądra „pociski” (izotopy wapnia, tytanu, jodu lub chromu) uderzają w „tarczę” z ołowiu lub bizmutu, co przy odrobinie szczęścia może skończyć się uformowaniem nowego, cięższego pierwiastka.
Przebieg takiego procesu można sprowadzić do trzech głównych etapów. Pierwszym jest kolizja rozpędzonego przez aparaturę jądra z jądrem atomu wewnątrz tarczy. W ten sposób powstaje układ, w którym do głosu dochodzi oddziaływanie silne. Właściwa synteza zachodzi w etapie drugim. A właściwie może zajść, ponieważ opisany układ ma szansę na osiągnięcie równowagi termodynamicznej i stworzenie nowego, większego jądra, ale może też dojść do podziału i zjawiska bliższego rozszczepieniu. Wreszcie, jeśli fuzja się powiedzie, w trzecim etapie nowe jądro wytraca energię (ulega „schłodzeniu”) na drodze emisji neutronów i promieniowania gamma. Całość trwa bilionowe części sekundy. Jeśli się powiedzie, jądro będzie w stanie wychwycić elektron i utworzyć atom gotowy do dalszych badań.
Tematem pracy Polaków jest najbardziej newralgiczny i jednocześnie wciąż najsłabiej poznany etap drugi. Fizyków przede wszystkim zainteresował problem wyznaczania prawdopodobieństwa na zajście fuzji. O nakreślenie istoty tych trudności poprosiłem współautora publikacji, Tomasza Capa z NCBJ:
Prawdopodobieństwo fuzji nie jest wielkością bezpośrednio mierzalną. Grupie z Australii udało się określić te prawdopodobieństwa dla trzech reakcji pomiędzy pociskami 48-Ca, 50-Ti i 54-Cr z tarczą 208-Pb w szerokim zakresie energii. Wyniki pokazują, jak zmiana pocisku wpływa na szanse zajścia reakcji, przy zachowaniu tej samej tarczy. Dane te stanowią świetny test dla modeli teoretycznych. Każdy z dostępnych na rynku modeli syntezy opisuje etap fuzji w trochę inny sposób, a parametry modeli są określane na podstawie dostępnych danych doświadczalnych dotyczących przekrojów czynnych. Niestety, modele zazwyczaj potrafią opisać znane przekroje czynne całkiem dobrze, ale różnią się w przewidywaniach, co do nowych reakcji. Przy bardzo niskich przekrojach czynnych jest to problemem przy planowaniu nowych eksperymentów.
dr Tomasz Cap
W odpowiedzi na ten problem naukowcy sporządzili bardziej uniwersalny model, pozwalający na tworzenie przewidywań dla nowych doświadczeń. W dłuższej perspektywie pomoże to w określaniu warunków koniecznych do powstawania kolejnych pierwiastków, a to z kolei ułatwi dalsze wydłużanie układu okresowego.
Głównym wyzwaniem dla badaczy było wyznaczenie konkretnego momentu, w którym rozpoczyna się właściwa synteza, a następnie skrupulatny opis zmian zachodzących w geometrii jąder pocisku i jąder tarczy w trakcie zderzenia. „Zazwyczaj fuzję opisuje się w sposób przybliżony, jako ruch w jednym wymiarze (np. jako skracanie całkowitej długości układu) lub w dwóch wymiarach, gdzie dodatkowo rozpatruje się zmianę asymetrii masowej” – zwraca uwagę dr Cap, tłumacząc, że nowy model daje „swobodę eksploracji różnych kształtów na drodze do jądra złożonego”.
W efekcie polska metoda przedstawia ewolucję układu w czterowymiarowej przestrzeni deformacji, pozwalając na uwzględnienie dodatkowych efektów kwantowych. Oczywiście ceną dokładniejszej teorii jest większa złożoność równań, a tym samym zapotrzebowanie na znacznie wyższą moc obliczeniową. Sami autorzy artykułu korzystali z klastra obliczeniowego CIŚ (Centrum Informatyczne Świerk) przy NCBJ.
Nowy opis będzie dalej rozwijany, ponieważ potencjalnie może objąć również proces schładzania. Oznaczałoby to unifikację drugiego i trzeciego etapu syntezy w jednym modelu. Dotąd nie udało się nikomu tego dokonać.
Publikację Tomasza Capa, Aleksandra Augustyna, Michała Kowala i Krystyny Siwek-Wilczyńskiej znajdziecie w Physical Review C. Szczególne podziękowania dla dr. Capa, który znalazł czas, aby odpowiedzieć na moje pytania i przybliżyć istotę badania.
