Een beter begrip krijgen van de beperkende factoren voor het bestaan ​​van stabiele, superzware elementen is een tien jaar oude zoektocht van scheikunde en natuurkunde. Superzware elementen, zoals de chemische elementen met atoomnummers groter dan 103 worden genoemd, komen niet voor in de natuur en worden kunstmatig geproduceerd met deeltjesversnellers. Ze verdwijnen binnen enkele seconden.

Een team van wetenschappers van GSI Helmholtzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, Johannes Gutenberg-universiteit Mainz (JGU), Helmholtz Instituut Mainz (HIM) en de Universiteit van Jyvaeskylae, Finland, geleid door Dr. Jadambaa Khuyagbaatar van GSI en HIM, heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de splijtingsprocessen in die exotische kernen en hiervoor heeft de tot nu toe onbekende kern mendelevium-244 geproduceerd. De experimenten waren onderdeel van "FAIR Phase 0, " de eerste fase van het FAIR experimentele programma. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Zware en superzware kernen zijn steeds onstabieler tegen het splijtingsproces, waarin de kern zich splitst in twee lichtere fragmenten. Dit komt door de steeds sterkere Coulomb-afstoting tussen het grote aantal positief geladen protonen in dergelijke kernen, en is een van de belangrijkste beperkingen voor het bestaan ​​van stabiele superzware kernen.

Het kernsplijtingsproces werd meer dan 80 jaar geleden ontdekt en wordt tot op de dag van vandaag intensief bestudeerd. De meeste experimentele gegevens over de spontane splijting hebben betrekking op kernen met een even aantal protonen en neutronen, 'even-even kernen' genoemd. Even-even kernen bestaan ​​volledig uit proton- en neutronenparen en hun splijtingseigenschappen zijn vrij goed te beschrijven door theoretische modellen. In kernen met een oneven aantal neutronen of protonen, een belemmering van het splijtingsproces in vergelijking met de eigenschappen van even-even kernen is waargenomen en terug te voeren op de invloed van zo'n enkele, ongepaard bestanddeel in de kern.

Echter, de splijtingsbelemmering in 'oneven-oneven kernen, 'bevattende beide, een oneven aantal protonen en een oneven aantal neutronen, is minder bekend. Beschikbare experimentele gegevens geven aan dat het spontane splijtingsproces in dergelijke kernen sterk wordt belemmerd, zelfs meer dan in kernen met slechts één oneven type bestanddelen.

Zodra de kans op splijting het kleinst is, andere radioactieve vervalmodi zoals alfaverval of bètaverval worden waarschijnlijk. Bij bètaverval, een proton verandert in een neutron (of omgekeerd) en, overeenkomstig, oneven-oneven kernen veranderen in even-even kernen, die doorgaans een hoge kans op splijting hebben. Overeenkomstig, als een splijtingsactiviteit wordt waargenomen in experimenten met de productie van een oneven-oneven kern, het is vaak moeilijk vast te stellen of splijting heeft plaatsgevonden in de odd-odd kern, of niet eerder begonnen met de even-even beta-verval dochter, die vervolgens bèta-vertraagde splijting kan ondergaan. Onlangs, Dr. Jadambaa Khuyagbaatar van GSI en HIM voorspelden dat dit bèta-vertraagde splijtingsproces zeer relevant kan zijn voor de zwaarste kernen en - in feite - een van de belangrijkste vervalwijzen van bèta-verterende superzware kernen kan zijn.

In superzware kernen, die buitengewoon moeilijk experimenteel te produceren zijn, bèta-verval is nog niet definitief waargenomen. Bijvoorbeeld, in het geval van het zwaarste element geproduceerd door GSI Darmstadt, tennessine (element 117), slechts twee atomen van de oneven-oneven kern tennessine-294 werden waargenomen in een experiment dat ongeveer een maand duurde. Deze kleine productiesnelheden beperken de verificatie en gedetailleerde studie van het vertraagde splijtingsproces door bètaverval. Nog altijd, nieuwe experimentele gegevens om licht te werpen op dit proces kunnen het best worden verkregen in exotische kernen, zoals die met een extreem onevenwichtige verhouding van protonen tot neutronen. Voor deze, het team van GSI, JGU, HIM en de Universiteit van Jyväskylä hebben de tot nu toe onbekende kern mendelevium-244 geproduceerd, een oneven-oneven kern bestaande uit 101 protonen en 143 neutronen.

De theoretische schatting suggereert dat bètaverval van deze kern in ongeveer een op de vijf gevallen zal worden gevolgd door splijting. Door de grote hoeveelheid energie die vrijkomt bij het splijtingsproces, dit kan worden gedetecteerd met een hoge gevoeligheid, terwijl bètaverval moeilijker te meten is. De onderzoekers gebruikten een intense straal titanium-50 die beschikbaar is bij GSI's UNILAC-versneller om een ​​gouden doelwit te bestralen. De reactieproducten van titanium en gouden kernen werden gescheiden in de Transactinide Separator en Chemistry TASCA, die mendelevium-kernen naar een siliciumdetector leidde die geschikt was om de implantatie van de kernen en hun daaropvolgende verval te registreren.

Een eerste deel van de studies, uitgevoerd in 2018, leidde tot de waarneming van zeven atomen van mendelevium-244. in 2020, de onderzoekers gebruikten een lagere titanium-50-straalenergie, wat onvoldoende is om tot mendelevium-244-productie te leiden. Inderdaad, signalen zoals die toegewezen aan mendelevium-244 in de studie van 2018 waren afwezig in dit deel van de dataset, het bevestigen van de juiste toewijzing van de gegevens van 2018 en het bevestigen van de ontdekking van de nieuwe isotoop.

Alle zeven geregistreerde atoomkernen ondergingen alfa-verval, d.w.z., de emissie van een helium-4-kern, wat leidde tot de dochterisotoop einsteinium-240, vier jaar geleden ontdekt door een eerder experiment uitgevoerd aan de Universiteit van Jyväskylä. Beta-verval werd niet waargenomen, waarmee een bovengrens voor deze vervalmodus van 14 procent kan worden vastgesteld. Als de kans op splijting van 20 procent van alle bèta-rottende kernen correct was, de totale kans op bèta-vertraagde splijting zou maximaal 2,8 procent zijn en de waarneming ervan zou de productie van aanzienlijk meer mendelevium-244-atomen vereisen dan in dit ontdekkingsexperiment.

Naast het alfa-vernietigende mendelevium-244, de onderzoekers vonden signalen van kortstondige splijtingsgebeurtenissen met onverwachte kenmerken met betrekking tot hun aantal, productie waarschijnlijkheid, en halfwaardetijd. Hun oorsprong kan momenteel niet precies worden vastgesteld, en is in feite niet gemakkelijk verklaarbaar met de huidige kennis van de productie en het verval van isotopen in het gebied van mendelevium-244. Dit motiveert vervolgonderzoeken om meer gedetailleerde gegevens te krijgen, wat zal helpen meer licht te werpen op het splijtingsproces in oneven kernen.