HIAF’s første fysikresultat: 10 hafnium-153-ioner ved atomkernens stabilitetsgrænse

Kinas nye High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) har leveret sit første rapporterede fysikresultat under indkøringen: Forskerne har produceret og identificeret isotopen hafnium-153 (^153Hf). I alt blev blot 10 ioner af den ekstremt sjældne og neutronfattige isotop observeret. Resultatet viser, at anlægget allerede kan undersøge atomkerner tæt på grænsen for, hvor længe de kan eksistere.

HIAF’s første resultat

HIAF ligger i Huizhou i Guangdong-provinsen i Kina og begyndte prøveaktiviteter 21. juli 2026. Anlægget er bygget til at fremstille, udskille og måle sjældne radioaktive atomkerner med høj præcision. Den type forskning hjælper fysikere med at kortlægge, hvor langt atomkerner kan bevæge sig fra den stabile balance mellem protoner og neutroner, før de bliver ustabile.

Undersøgelsen blev ledet af Institut for Moderne Fysik under Det Kinesiske Videnskabsakademi. Blandt samarbejdspartnerne var University of Chinese Academy of Sciences, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Universität zu Köln, East China University of Technology og Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Resultatet blev offentliggjort som en kort meddelelse i tidsskriftet Science Bulletin.

Hvorfor er hafnium-153 interessant?

Hafnium-153 hører til området med neutronfattige tunge atomkerner. Her bliver det stadig sværere at opretholde den kraft, der binder protoner og neutroner sammen. Før dette forsøg var isotopen ikke blevet rapporteret. Dens eksistens og målte masse giver derfor fysikerne et nyt datapunkt til at afprøve modeller for atomkerners masse og undersøge, hvordan kernestrukturen ændrer sig tæt på stabilitetsgrænsen.

Målingen tyder på, at ^153Hf er bundet eller svagt bundet, hvilket stemmer overens med forudsigelser fra flere kernemassemodeller. Det afgør ikke alle spørgsmål om isotopen, men giver en vigtig eksperimentel kontrol af de teorier, der bruges til at forudsige atomkerner, som er meget vanskelige – eller endnu umulige – at observere direkte.

Sådan blev isotopen fremstillet og identificeret

Forsøget begyndte med en stråle af bismut-209, som blev accelereret til 836,66 MeV pr. nukleon i HIAF’s Booster Ring. Strålen blev sendt ind i et grafit mål, hvor såkaldte fragmenteringsreaktioner dannede en blanding af radioaktive atomkerner.

Denne blanding skulle derefter sorteres og måles. HIRIBL-strålelinjen for højenergetiske radioaktive ioner udskilte reaktionsprodukterne og førte dem videre til SRing, en lagrings- og spektrometriring. Flyvetidsdetektorer hjalp med at skelne mellem de mulige atomkerner, mens isokron massespektrometri leverede den præcision, der var nødvendig for at identificere hafnium-153. I alt registrerede holdet 10 ^153Hf-ioner.

Udfordringen var ikke kun at danne hafnium-153, men også at finde isotopen blandt langt mere almindelige reaktionsprodukter. Den beregnede produktionstværsnit var på pikobarn-niveau, hvilket betyder, at isotopen blev dannet ekstremt sjældent. HIAF’s intense primærstråle, højopløselige fragmentseparation og massespektrometri med følsomhed ned til enkelt-ioner skulle derfor fungere sammen, før en sikker identifikation var mulig.

Uafhængig observation i Japan

Omtrent samtidig rapporterede forskere ved Japans Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) på RIKEN en uafhængig observation af ^153Hf. De to observationer understøtter gensidigt identifikationen af isotopen og mindsker den usikkerhed, der ellers kan følge med et resultat baseret på blot en håndfuld registrerede ioner.

En uafhængig bekræftelse er særlig værdifuld for atomkerner, der kun produceres med ekstremt lav hastighed. I dette tilfælde styrker overensstemmelsen mellem HIAF’s og RIBF’s observationer resultatet og giver forskerne et bedre grundlag for at sammenholde hafnium-153 med kerneteoretiske modeller.

Hvad betyder fundet for HIAF?

Opdagelsen er først og fremmest en tidlig demonstration af anlæggets funktion – ikke slutmålet for HIAF’s forskningsprogram. Den viser, at acceleratorens stråleproduktion, transport af radioaktive ioner, fragmentseparation og præcise massebestemmelse kan koordineres til at undersøge atomkerner, der både er sjældne og kortlivede.

Når HIAF’s stråleintensitet og den eksperimentelle effektivitet forbedres, forventes anlæggets rækkevidde at vokse med omkring to størrelsesordener. Det kan åbne for opdagelsen af flere isotoper, mere krævende tests af kernemassemodeller og målinger af atomkerners egenskaber under stadig mere ekstreme forhold mellem protoner og neutroner.

Hafnium-153 er derfor vigtigt af to grunde: Det er en ny og usædvanligt vanskelig atomkerne at fremstille og identificere, og det fungerer samtidig som en praktisk prøve på, om HIAF er klar til at udforske de mindre kendte yderkanter af atomkernens landskab.