Kinas nye akselerator fant bare 10 hafnium-153-ioner – og det er et gjennombrudd

Det høres kanskje beskjedent ut å finne bare 10 partikler. I kjernefysikken kan det imidlertid være nok til å flytte grensene for hva vi vet om atomkjerner.

Kinas High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) har produsert og identifisert isotopen hafnium-153 (^153Hf) som sitt første rapporterte fysikkresultat under innkjøringen. Forskerne observerte totalt 10 ioner av den ekstremt sjeldne, nøytronfattige isotopen – et tidlig bevis på at det nye anlegget kan nå atomkjerner nær grensen for hvor lenge de kan eksistere.

HIAFs første resultat

HIAF ligger i Huizhou i Guangdong-provinsen i Kina og startet prøvekjøringen 21. juli 2026. Anlegget er bygget for å produsere, skille ut og måle sjeldne radioaktive atomkjerner med høy presisjon. Slik forskning hjelper fysikere med å kartlegge hvor langt det er mulig å komme i «kjernekartet» før atomkjernene blir ustabile.

Studien ble ledet av Institutt for moderne fysikk under Det kinesiske vitenskapsakademiet. Forskningssamarbeidet omfattet også University of Chinese Academy of Sciences, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Universitetet i Köln, East China University of Technology og Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Resultatet ble publisert som en kort vitenskapelig melding i tidsskriftet Science Bulletin.

Hvorfor hafnium-153 er viktig

Hafnium-153 befinner seg i et område blant tunge atomkjerner der balansen mellom protoner og nøytroner blir stadig vanskeligere å opprettholde. Før dette forsøket var isotopen ikke rapportert. At forskerne nå både har etablert at den finnes og målt massen, gir kjernefysikere et nytt sammenligningspunkt for teorier om atomkjerners masse og struktur.

Målingen tyder på at ^153Hf er en bundet eller svakt bundet kjerne, i tråd med forutsigelser fra flere kjernemassemodeller. Det avgjør ikke alle spørsmål om isotopen, men gir en viktig eksperimentell kontroll av teorier som brukes til å forutsi atomkjerner som er svært vanskelige – eller foreløpig umulige – å observere direkte.

Slik ble isotopen laget og identifisert

Forsøket startet med en stråle av bismut-209, som ble akselerert til 836,66 MeV per nukleon i HIAFs Booster Ring. Strålen ble deretter sendt inn i et grafittmål. Kollisjonene utløste såkalt fragmentering av prosjektilet og skapte en blanding av radioaktive atomkjerner.

Denne blandingen måtte så sorteres og analyseres. HIRIBL, HIAFs høyenergetiske strålelinje for radioaktive ioner, skilte ut og transporterte reaksjonsproduktene til SRing – en lagrings- og spektrometerring. Flygetidsdetektorer hjalp forskerne med å skille mellom kandidatkjernene, mens isokron massespektrometri ble brukt til den presise målingen som identifiserte hafnium-153. Til sammen registrerte teamet 10 ^153Hf-ioner.

Utfordringen var ikke bare å lage hafnium-153, men å finne ionene blant langt vanligere reaksjonsprodukter. Produksjonstverrsnittet ble anslått til pikobarn-nivå, noe som betyr at isotopen ble dannet ytterst sjelden. HIAFs intense primærstråle, høyoppløselige fragmentseparasjon og massespektrometri med følsomhet ned på enkelt-ioner måtte fungere sammen for at identifikasjonen skulle bli pålitelig.

Uavhengig observasjon ved RIKEN

Omtrent samtidig rapporterte forskere ved Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) ved Japans RIKEN-institutt en uavhengig observasjon av ^153Hf. De to observasjonene støtter hverandre og reduserer usikkerheten som ellers kan følge med et resultat basert på bare noen få registrerte ioner.

Uavhengig bekreftelse er særlig verdifull når atomkjerner produseres i ekstremt lavt tempo. I dette tilfellet styrker samsvaret mellom HIAF og RIBF resultatet og gir forskerne et sikrere grunnlag for å sammenligne hafnium-153 med kjernefysiske teorier.

Et tidlig bevis på hva HIAF kan gjøre

Oppdagelsen er først og fremst en demonstrasjon av anleggets kapasitet – ikke sluttpunktet for HIAFs forskningsprogram. Resultatet viser at akseleratoren, transporten av radioaktive stråler, fragmentseparasjonen og den presise massebestemmelsen kan samkjøres for å studere atomkjerner som både er sjeldne og kortlivede.

Når stråleintensiteten og den eksperimentelle effektiviteten forbedres, ventes HIAFs rekkevidde i eksperimentene å øke med rundt to størrelsesordener. Det kan gjøre det mulig å oppdage flere isotoper, teste kjernemassemodeller grundigere og måle egenskapene til atomkjerner med stadig mer ekstrem ubalanse mellom protoner og nøytroner.

Hafnium-153 er derfor viktig av to grunner: Isotopen er en ny og svært vanskelig atomkjerne å produsere og identifisere, samtidig som funnet viser at HIAF er klar til å utforske de minst undersøkte områdene av kjernekartet.