Čínský urychlovač HIAF zaznamenal své první měření: pouhých 10 jader hafnia-153

Proč je hafnium-153 důležité

Hafnium-153 patří mezi těžká jádra s výrazným nedostatkem neutronů. V této oblasti je stále obtížnější udržet rovnováhu mezi protony a neutrony. Před tímto experimentem izotop nebyl popsán. Jeho potvrzení a změření hmotnosti proto poskytují nový bod pro testování modelů jaderných hmotností a pro studium toho, jak se struktura jádra mění směrem k hranici stability.

Naměřené údaje naznačují, že ^153Hf je vázané, případně slabě vázané jádro, což odpovídá předpovědím několika jaderných modelů. Výsledek sice neřeší všechny otázky spojené s tímto izotopem, představuje však důležitou experimentální kontrolu teorií, které předpovídají vlastnosti jader obtížně pozorovatelných — nebo dosud přímo nepozorovaných.

Jak vědci izotop vytvořili a rozpoznali

Experiment začal svazkem bismutu-209, který HIAF v urychlovacím prstenci Booster Ring urychlil na energii 836,66 MeV na nukleon. Svazek následně narazil do grafitového terče. Při takzvané fragmentaci projektilu vznikla směs různých radioaktivních jader.

Tuto směs bylo nutné nejprve pročistit a poté přesně změřit. Vysokoenergetická dráha radioaktivních iontů HIRIBL oddělila produkty reakce a dopravila je do prstence SRing, který slouží jako zásobní a spektrometrický prstenec. Detektory doby letu pomohly rozlišit kandidátní jádra a izochronní hmotnostní spektrometrie umožnila přesné určení hafnia-153. Celkem tým zaznamenal 10 iontů ^153Hf.

Největší problém nespočíval jen ve výrobě hafnia-153, ale také v jeho rozpoznání mezi mnohem běžnějšími produkty reakce. Odhadovaný účinný průřez jeho vzniku byl v řádu pikobarnů, což znamená, že izotop vzniká mimořádně zřídka. K úspěchu proto musely společně přispět intenzivní primární svazek HIAF, vysoce rozlišující separace fragmentů a hmotnostní spektrometrie citlivá na jednotlivé ionty.

Nezávislé pozorování v japonském RIKEN

Přibližně ve stejné době oznámili nezávislé pozorování ^153Hf také vědci z japonského Ústavu fyzikálního a chemického výzkumu RIKEN. Izotop zaznamenali v zařízení Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF). Obě měření se navzájem podporují a snižují nejistotu, která může doprovázet výsledek založený na pouhých několika zachycených iontech.

Nezávislé potvrzení má u jader vznikajících v extrémně nízkých počtech mimořádnou hodnotu. V tomto případě shoda mezi HIAF a RIBF posiluje identifikaci izotopu a dává vědcům pevnější základ pro srovnávání hafnia-153 s jadernými teoriemi.

Co výsledek říká o HIAF

Objev není konečným cílem vědeckého programu HIAF, ale především ranou zkouškou schopností zařízení. Ukazuje, že urychlovač, transport radioaktivních svazků, separace fragmentů a přesné měření hmotnosti dokážou fungovat jako jeden celek při studiu velmi vzácných a krátce žijících jader.

S růstem intenzity svazku a zlepšováním účinnosti experimentů by se měl dosah zařízení zvýšit přibližně o dva řády. To může umožnit objev dalších izotopů, náročnější testování modelů jaderných hmotností i měření vlastností jader s ještě výraznější nerovnováhou mezi počtem protonů a neutronů.

Hafnium-153 je tedy důležité ze dvou důvodů: jde o nové a mimořádně obtížně vyrobitelné i identifikovatelné jádro a zároveň o praktickou ukázku, že HIAF je připraven zkoumat dosud málo prozkoumané hranice jaderné krajiny.