Eerste natuurkundige resultaat van HIAF: 10 hafnium-153-ionen aan de rand van nucleaire stabiliteit

China heeft met zijn nieuwe High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) een eerste belangrijk resultaat geboekt: onderzoekers produceerden en identificeerden hafnium-153 (^153Hf). In totaal werden slechts 10 ionen van deze uiterst zeldzame, neutronenarme isotoop waargenomen. Daarmee laat HIAF zien dat de installatie kernen kan bereiken die zich aan de grens van nucleaire stabiliteit bevinden.

HIAF: een eerste resultaat tijdens de testfase

HIAF staat in Huizhou, in de provincie Guangdong, en begon op 21 juli 2026 met proefbedrijf. De installatie is ontworpen om zeldzame radioactieve atoomkernen te produceren, van elkaar te scheiden en zeer nauwkeurig te meten. Zulke metingen helpen natuurkundigen in kaart te brengen hoe ver de ‘landkaart’ van mogelijke atoomkernen zich uitstrekt voordat kernen instabiel worden.

Het onderzoek werd geleid door het Institute of Modern Physics van de Chinese Academy of Sciences. Aan het project werkten ook de University of Chinese Academy of Sciences, het Duitse GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, de University of Cologne, East China University of Technology en het Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory mee. De resultaten verschenen als korte mededeling in Science Bulletin.

Waarom hafnium-153 bijzonder is

Hafnium-153 bevindt zich in een gebied van zware kernen met relatief weinig neutronen. Daar wordt het steeds moeilijker om de balans tussen protonen en neutronen in stand te houden. Voor dit experiment was de isotoop niet eerder gerapporteerd. Het aantonen van het bestaan ervan en het meten van zijn massa levert daarom een nieuw ijkpunt op voor modellen die de massa en structuur van atoomkernen voorspellen.

De meting wijst erop dat ^153Hf een gebonden of zwak gebonden nuclide is. Dat komt overeen met voorspellingen van verschillende kernmassamodellen. De uitkomst beantwoordt niet alle vragen over de isotoop, maar vormt wel een belangrijke experimentele toets voor theorieën over kernen die zeer moeilijk — of tot nu toe helemaal niet — rechtstreeks waarneembaar waren.

Hoe werden de 10 ionen gevonden?

De onderzoekers begonnen met een bundel bismut-209. In de Booster Ring van HIAF werd die bundel versneld tot 836,66 MeV per nucleon, waarna hij een grafietdoel raakte. Bij deze botsingen vielen fragmenten van de bismutkernen uiteen. Zo ontstond een mengsel van radioactieve kernen.

Dat mengsel moest vervolgens zorgvuldig worden gefilterd. De HIRIBL-bundellijn voor hoogenergetische radioactieve ionen scheidde de reactieproducten en stuurde ze naar de SRing, een opslag- en spectrometerring. Vluchttijddetectoren hielpen om kandidaat-kernen van elkaar te onderscheiden. Met isochrone massaspectrometrie — een methode om de massa van ionen zeer precies te bepalen — konden de onderzoekers hafnium-153 identificeren. In totaal registreerden zij 10 ^153Hf-ionen.

De moeilijkheid lag dus niet alleen in het maken van hafnium-153, maar vooral in het herkennen ervan tussen veel vaker voorkomende reactieproducten. De geschatte productiedoorsnede lag op picobarnniveau: de isotoop ontstond uitzonderlijk zelden. De hoge intensiteit van de primaire bundel, de nauwkeurige fragmentscheiding en de massaspectrometrie die afzonderlijke ionen kan detecteren, moesten allemaal goed samenwerken om tot een betrouwbare identificatie te komen.

Onafhankelijke waarneming bij RIKEN

Rond dezelfde tijd rapporteerden onderzoekers van RIKEN in Japan eveneens een onafhankelijke waarneming van ^153Hf bij de Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF). De twee metingen ondersteunen elkaar en verkleinen de onzekerheid die kan ontstaan wanneer een resultaat op slechts enkele gedetecteerde ionen berust.

Die onafhankelijke bevestiging is vooral belangrijk bij kernen die maar zeer zelden worden geproduceerd. De overeenkomst tussen de waarnemingen van HIAF en RIBF geeft onderzoekers een stevigere basis om hafnium-153 te vergelijken met voorspellingen uit de kernfysica.

Wat zegt dit over HIAF?

De vondst is geen eindpunt, maar een vroege demonstratie van de mogelijkheden van HIAF. De resultaten tonen aan dat de versneller, de transportlijn voor radioactieve bundels, de fragmentscheiding en de precisiemassameting gezamenlijk kunnen worden ingezet voor onderzoek naar uiterst zeldzame en kortlevende kernen.

Naarmate de bundelintensiteit en de experimentele efficiëntie verbeteren, zal het bereik van de installatie naar verwachting met ongeveer twee ordes van grootte toenemen. Dat kan nieuwe isotopen binnen bereik brengen, strengere tests van kernmassamodellen mogelijk maken en metingen opleveren van kernen met een steeds extremere verhouding tussen protonen en neutronen.

Hafnium-153 is daarmee om twee redenen belangrijk. Het is een nieuwe en uitzonderlijk moeilijk te produceren en identificeren kern, én het vormt een praktische demonstratie dat HIAF klaar is om de minder onderzochte grenzen van het nucleaire landschap te verkennen.