Eksperymentalne poszukiwanie jąder super i hiper ciężkich

Zbigniew Majka (po lewej) oraz Sigurd Hofmann, kierownik grupy z GSI Darmstadt, która odkryła pierwiastek o Z=112. Zdjęcie wykonano 12 lipca 2010 r. podczas międzynarodowej uroczystości poświęconej odkryciu tego pierwiastka i nadaniu mu nazwy Copernicium (polska nazwa Kopernik).

Poszukiwanie obiektów, których istnienie przewiduje teoria, należy do najbardziej ekscytujących działań badaczy eksperymentalnych. Ostatnie doniesienia o odkryciu cząstki mogącej być bozonem Higgsa (cząstka elementarna postulowana przez Model Standardowy, który jest jedną z najważniejszych teorii współczesnej fizyki) czy też odkrycie planety ziemiopodobnej określono jednymi z największych odkryć w nauce. Fascynacja fizyków jądrowych poszukiwaniem możliwości wytworzenia pierwiastków superciężkich (ang. Super Heavy Elements – SHE) jest podobnym typem badań naukowych.

Pierwiastki, występujące w sposób naturalny na Ziemi, zostały ułożone zgodnie z ich chemicznymi własnościami w układzie okresowym zaproponowanym przez Dmitrija Mendelejewa. Najcięższym pierwiastkiem pochodzenia naturalnego jest uran, którego jądro składa się z Z=92 protonów oraz N= 128-150 neutronów (liczba neutronów wyróżnia tzw. izotopy). Im pierwiastek posiada większą liczbę protonów, tym bardziej wzrasta występujące we wnętrzu jego jądra odpychanie kulombowskie i dlatego pierwiastki transuranowe (pierwiastki o liczbach atomowych większych niż 92) są niestabilne.

Jedną z fundamentalnych konkluzji modelu powłokowego jądra atomowego jest przewidywanie istnienia „Wyspy Stabilności” w obszarze hipotetycznych superciężkich pierwiastków. Fizycy jądrowi przewidzieli w latach sześćdziesiątych XX wieku, że protony i neutrony w jądrach atomowych tworzą tzw. zamknięte powłoki dla pewnych „magicznych” ich liczb, dla których występuje silniejsze wiązanie protonów i neutronów. Jądra atomowe, posiadające właśnie takie liczby protonów i neutronów (lub w pobliżu tych wartości), mogą stać się stabilnymi pomimo odpychającego działania siły kulombowskiej. Te przewidywane magiczne liczby protonów to Z=114 oraz neutronów N=184 lub N=196. Oszacowanie czasów życia tych superciężkich jąder rozciąga się od sekund do setek lat. Druga wyspa stabilności super-ciężkich elementów przewidziana została dla Z=164 oraz N=318.

Dotychczas produkcja pierwiastków SHE odbywała się w laboratoriach dysponujących akceleratorami ciężkich jonów (urządzenia przyspieszające jądra atomowe) gdzie w zderzeniu jądra pocisku z jądrem tarczy może dojść do procesu kompletnej fuzji obu jąder. Do roku 1988, pierwiastki do Z=112 zostały odkryte właśnie w ten sposób. Niestety, w trakcie tych badań okazało się, że produkcja superciężkich pierwiastków w procesie kompletnej fuzji jest poważnie ograniczona ze względu na malejące, wraz ze wzrostem liczby atomowej wytwarzanego jądra, prawdopodobieństwo zajścia procesu fuzji. Co więcej, czas życia tych najcięższych odkrytych pierwiastków jest bardzo krótki, około dziesiątek milisekund. Tak małe czasy życia podważały przekonanie w istnienie wyspy stabilności pierwiastków SHE. Jednym z możliwych wyjaśnień uzyskanych wyników było spostrzeżenie, że nowo wyprodukowane pierwiastki są wysoce neutronowo niedomiarowe i w istocie powinny żyć krótko. Jednakże dostępne kombinacje jąder pocisków i jąder tarczy nie dają możliwości produkowania jąder SHE bardziej bogatych w neutrony. Obecnie tablica okresowa została poszerzona do pierwiastków o liczbie atomowej Z=118. Oficjalnie IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) zatwierdziła do tej pory odkrycie pierwiastka o Z=112 i nadała mu nazwę copernicium (polska nazwa kopernik).

Zaplanowane badania koncentrują się na eksperymentalnym wytworzeniu oraz identyfikacji superciężkich jąder atomowych i egzotycznych form dużych fragmentów materii jądrowej. Dla realizacji tych celów zaproponowano nowe eksperymentalne podejście zarówno do wytworzenie jak i wykrywania tych obiektów. Oczekiwane wyniki tych badań to możliwe odkrycie nowych superciężkich jąder i/lub określenie dolnej granicy przekroju czynnego na produkcję takich obiektów. Zasadnicze eksperymenty zostaną wykonane w Instytucie Cyklotronowym Uniwersytetu Texas A&M w College Station.

Prof. dr hab. Zbigniew Majka

Profesor zwyczajny w Uniwersytecie Jagiellońskim, gdzie ukończył studia w zakresie fizyki. Jego główne zainteresowania naukowe to doświadczalna fizyka jądrowa oraz doświadczalna fizyka wysokich energii. Swoje badania eksperymentalne prowadził w kilkunastu ośrodkach naukowych o światowej renomie (Lawrence Berkeley National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Texas A&M University, CERN). Pełnił funkcję kierownika Zakładu Fizyki Gorącej Materii w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego, był dyrektorem ds. badań w fazie przygotowawczej do budowy Międzynarodowego Ośrodka Badań FAIR GmbH w Darmstadt (obecnie członek Rady Nadzorczej). Jest przewodniczącym Krajowego Konsorcjum FEMTOFIZYKA.

Data publikacji: 17.09.2012