Rivelatore sul piano focale del separatore TASCA, in cui è stato impiantato l'isotopo mendelium-244 e registrato il suo decadimento. Credito:Alexander Yakushev, GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung
Acquisire una migliore comprensione dei fattori limitanti per l'esistenza di stabili, elementi superpesanti è una ricerca decennale di chimica e fisica. elementi superpesanti, come vengono chiamati gli elementi chimici con numero atomico maggiore di 103, non si trovano in natura e sono prodotti artificialmente con acceleratori di particelle. Svaniscono in pochi secondi.
Un team di scienziati del GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM) e l'Università di Jyvaeskylae, Finlandia, guidato dal Dr. Jadambaa Khuyagbaatar di GSI e HIM, ha fornito nuove intuizioni sui processi di fissione in quei nuclei esotici e per questo, ha prodotto il nucleo finora sconosciuto mendelevio-244. Gli esperimenti facevano parte della "FAIR Phase 0, " la prima fase del programma sperimentale FAIR. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .
I nuclei pesanti e superpesanti sono sempre più instabili contro il processo di fissione, in cui il nucleo si divide in due frammenti più leggeri. Ciò è dovuto alla sempre più forte repulsione coulombiana tra il gran numero di protoni carichi positivamente in tali nuclei, ed è uno dei principali limiti all'esistenza di nuclei superpesanti stabili.
Il processo di fissione nucleare è stato scoperto più di 80 anni fa e viene studiato intensamente fino ad oggi. La maggior parte dei dati sperimentali sulla fissione spontanea riguardano nuclei con un numero pari di protoni e neutroni, chiamati "nuclei pari-pari". I nuclei pari-pari sono costituiti interamente da coppie di protoni e neutroni e le loro proprietà di fissione sono piuttosto ben descrivibili dai modelli teorici. Nei nuclei con un numero dispari di neutroni o protoni, un ostacolo al processo di fissione rispetto alle proprietà dei nuclei pari-pari è stato osservato e fatto risalire all'influenza di tale singolo, costituente spaiato nel nucleo.
Però, l'ostacolo alla fissione nei "nuclei dispari, ' contenente entrambi, un numero dispari di protoni e un numero dispari di neutroni, è meno conosciuto. I dati sperimentali disponibili indicano che il processo di fissione spontanea in tali nuclei è fortemente ostacolato, ancor più che nei nuclei con un solo tipo dispari di costituenti.
Una volta che la probabilità di fissione è più ridotta, altri modi di decadimento radioattivo come il decadimento alfa o il decadimento beta diventano probabili. Nel decadimento beta, un protone si trasforma in un neutrone (o viceversa) e, di conseguenza, i nuclei dispari-dispari si trasformano in nuclei pari-pari, che in genere hanno un'alta probabilità di fissione. Di conseguenza, se si osserva un'attività di fissione in esperimenti sulla produzione di un nucleo dispari-dispari, è spesso difficile identificare se la fissione si è verificata nel nucleo dispari, o non piuttosto iniziato dalla figlia del decadimento beta pari, che può quindi subire la fissione beta-ritardata. Recentemente, Il Dr. Jadambaa Khuyagbaatar di GSI e HIM ha predetto che questo processo di fissione beta-ritardato potrebbe essere molto rilevante per i nuclei più pesanti e, in effetti, potrebbe essere una delle principali modalità di decadimento dei nuclei superpesanti con decadimento beta.
Ritagliare dalla carta dei nuclei nella regione dei nuclei del mendelevio. Ogni scatola rappresenta un nucleo atomico, con il numero di protoni in aumento in direzione verticale e il numero di neutroni in direzione orizzontale. I nuclei noti sono indicati da riquadri colorati, dove il colore indica la modalità di decadimento nucleare:decadimento alfa (giallo), decadimento beta (marrone), fissione spontanea (verde). Le caselle con la cornice spessa indicano nuclei dispari, in cui si prevede che la fissione beta-ritardata si verifichi con una probabilità>1 % tra tutti i decadimenti beta (dati presi da J. Khuyagbaatar, Euro. Fis. J. A 55, 134 (2019)). Le probabilità sono indicate in blu. Vengono evidenziate la posizione e le proprietà di decadimento del nuovo isotopo mendelevio-244. Credito:J. Khuyagbaatar, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Nei nuclei superpesanti, che sono estremamente difficili da produrre sperimentalmente, il decadimento beta non è stato ancora osservato in modo conclusivo. Ad esempio, nel caso dell'elemento più pesante prodotto a GSI Darmstadt, tennessine (elemento 117), solo due atomi del nucleo dispari-dispari tennessine-294 sono stati osservati in un esperimento durato circa un mese. Questi piccoli tassi di produzione limitano la verifica e lo studio dettagliato del processo di fissione ritardata del decadimento beta. Ancora, nuovi dati sperimentali per far luce su questo processo si ottengono meglio nei nuclei esotici, come quelli che hanno un rapporto estremamente sbilanciato tra protoni e neutroni. Per questo, la squadra del GSI, JGU, Gli HIM e l'Università di Jyväskylä hanno prodotto il nucleo finora sconosciuto mendelevium-244, un nucleo dispari composto da 101 protoni e 143 neutroni.
La stima teorica suggerisce che il decadimento beta di questo nucleo sarà seguito dalla fissione in circa un caso su cinque. A causa del grande rilascio di energia del processo di fissione, questo può essere rilevato con alta sensibilità, mentre i decadimenti beta sono più difficili da misurare. I ricercatori hanno utilizzato un intenso raggio di titanio-50 disponibile presso l'acceleratore UNILAC di GSI per irradiare un bersaglio d'oro. I prodotti di reazione dei nuclei di titanio e oro sono stati separati nel separatore transattinide e chimica TASCA, che guidava i nuclei del mendelevio in un rivelatore al silicio atto a registrare l'impianto dei nuclei nonché il loro successivo decadimento.
Una prima parte degli studi, eseguita nel 2018, ha portato all'osservazione di sette atomi di mendelevio-244. Nel 2020, i ricercatori hanno utilizzato un'energia del raggio di titanio-50 inferiore, che è insufficiente per portare alla produzione di mendelevio-244. Infatti, segnali come quelli assegnati a mendelevium-244 nello studio del 2018 erano assenti in questa parte del set di dati, corroborando la corretta assegnazione dei dati 2018 e confermando la scoperta del nuovo isotopo.
Il leader dell'esperimento, Dr. Jadambaa Khuyagbaatar in piedi nella sala sperimentale X8 di fronte al separatore TASCA utilizzato nell'esperimento mendelevium-244. Crediti:Antonio Di Nitto
Tutti i sette nuclei atomici registrati hanno subito un decadimento alfa, cioè., l'emissione di un nucleo di elio-4, che ha portato alla figlia isotopo einsteinium-240, scoperto quattro anni fa da un precedente esperimento condotto presso l'Università di Jyväskylä. Il decadimento beta non è stato osservato, che consente di stabilire un limite superiore su questa modalità di decadimento del 14 percento. Se la probabilità di fissione del 20% di tutti i nuclei in decadimento beta fosse corretta, la probabilità totale per la fissione ritardata beta sarebbe al massimo del 2,8 per cento e la sua osservazione richiederebbe la produzione sostanzialmente di più atomi di mendelevio-244 rispetto a questo esperimento di scoperta.
Oltre al mendelevium-244 con decadimento alfa, i ricercatori hanno trovato segnali di eventi di fissione di breve durata con caratteristiche inaspettate riguardo al loro numero, probabilità di produzione, ed emivita. La loro origine non può essere attualmente individuata con esattezza, ed è infatti non facilmente spiegabile con le attuali conoscenze della produzione e del decadimento degli isotopi nella regione del mendelevio-244. Questo motiva gli studi di follow-up per ottenere dati più dettagliati, che contribuirà a gettare ulteriore luce sul processo di fissione nei nuclei dispari-dispari.
