רק 10 יונים: ההישג הראשון של HIAF חושף איזוטופ נדיר בקצה היציבות הגרעינית

מדוע הפניום-153 חשוב?

הפניום-153 נמצא באזור של גרעינים כבדים שבהם חסרים נייטרונים ביחס למספר הפרוטונים. במצב כזה קשה יותר לשמור על האיזון שמחזיק את הגרעין יחד, ולכן כל תצפית על גרעין כזה מוסיפה נקודת מידע חשובה להבנת גבולות היציבות הגרעינית. לפני הניסוי, האיזוטופ לא דווח בספרות המדעית. עצם זיהויו ומדידת המסה שלו מאפשרים לבדוק מודלים של מסות גרעיניות ולחקור כיצד מבנה הגרעין משתנה לקראת קצה היציבות.

המדידה מצביעה על כך ש-^153Hf הוא גרעין קשור או קשור באופן חלש — כלומר, הוא עדיין מסוגל להתקיים כגרעין, אף שהקשר הגרעיני בו חלש במיוחד. התוצאה תואמת את התחזיות של כמה מודלים של מסות גרעיניות. היא אינה פותרת את כל השאלות בנוגע לאיזוטופ, אך מספקת מבחן ניסויי חשוב לתיאוריות שמנסות לחזות גרעינים שקשה מאוד, ולעיתים עדיין בלתי אפשרי, לצפות בהם ישירות.

איך יצרו וזיהו עשרה יונים בלבד?

הניסוי החל באלומת ביסמוט-209, שהואצה בטבעת המאיץ של HIAF לאנרגיה של 836.66 MeV לנוקליאון. האלומה פגעה במטרה עשויה גרפיט, וההתנגשות יצרה בתהליך של ביקוע שברי־קליע תערובת של גרעינים רדיואקטיביים שונים.

מכאן התחיל החלק המאתגר: היה צורך להפריד את הפניום-153 מתוך מספר גדול בהרבה של תוצרי תגובה אחרים. קו האלומה הרדיואקטיבית באנרגיה גבוהה HIRIBL סינן את התוצרים והעביר אותם אל טבעת האחסון והספקטרומטר SRing. גלאי זמן־מעוף סייעו להבחין בין הגרעינים המועמדים, ולאחר מכן שיטת ספקטרומטריית המסות האיזוכרונית אפשרה למדוד את המסה בדיוק הנדרש. בסך הכול נרשמו 10 יונים של ^153Hf.

הקושי לא היה רק לייצר את האיזוטופ, אלא גם לזהות אותו בתוך האותות הרבים יותר של תוצרי התגובה הנפוצים. חתך הפעולה המשוער של יצירתו היה בסדר גודל של פיקובארן — שיעור נמוך במיוחד, שמשמעותו היא שהאיזוטופ נוצר לעיתים נדירות מאוד. כדי לאתר אותו נדרשו יחד אלומה ראשונית בעוצמה גבוהה, מערכת הפרדה ברזולוציה גבוהה וספקטרומטריית מסות רגישה לזיהוי של יון יחיד.

תצפית בלתי תלויה ביפן חיזקה את הממצא

בערך באותה תקופה דיווחו חוקרים במפעל האלומות של איזוטופים רדיואקטיביים RIBF, הפועל במכון RIKEN ביפן, על תצפית בלתי תלויה ב-^153Hf. שתי התצפיות מחזקות זו את זו ומפחיתות את אי־הוודאות שעלולה להתעורר כאשר תוצאה נשענת על מספר קטן כל כך של יונים.

אישור בלתי תלוי חשוב במיוחד במקרה של גרעינים שנוצרים בקצב זעיר. כאן, ההתאמה בין המדידות מספקת בסיס יציב יותר להשוואת תכונותיו של הפניום-153 עם התחזיות של התאוריה הגרעינית.

מה התוצאה מלמדת על HIAF?

התגלית היא בראש ובראשונה הדגמת יכולת מוקדמת של HIAF, ולא סיום התוכנית המדעית שלו. היא מראה שמערכות המאיץ, העברת האלומות הרדיואקטיביות, הפרדת שברי הגרעינים ומדידת המסות המדויקת יכולות לפעול יחד כדי לחקור גרעינים נדירים וקצרי־חיים.

ככל שעוצמת האלומות ויעילות הניסויים ימשיכו להשתפר, טווח היכולת הניסויית של המתקן צפוי לגדול בכשני סדרי גודל. הדבר עשוי לאפשר גילוי איזוטופים נוספים, מבחנים מחמירים יותר למודלים של מסות גרעיניות ומדידות של תכונות גרעיניות בתנאים קיצוניים יותר של חוסר איזון בין פרוטונים לנייטרונים.

לכן הפניום-153 חשוב משתי סיבות: הוא גרעין חדש וקשה במיוחד לייצור ולזיהוי, והוא גם הוכחה מעשית לכך ש-HIAF מוכן להתחיל לחקור את האזורים הפחות מוכרים של מפת הגרעינים.