HIAF otwiera nowy rozdział w fizyce jąder atomowych

Chiński ośrodek High Intensity heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) osiągnął pierwszy zgłoszony wynik fizyczny jeszcze w fazie rozruchu. Naukowcy wyprodukowali i zidentyfikowali hafn-153 ((^153)Hf), niezwykle rzadki izotop ubogi w neutrony. Zarejestrowano zaledwie 10 jego jonów — wystarczyło to jednak, by pokazać, że nowy akcelerator potrafi docierać do jąder leżących blisko granic ich istnienia.

Pierwszy wynik HIAF

HIAF znajduje się w Huizhou, w prowincji Guangdong na południu Chin. Próbną działalność rozpoczął 21 lipca 2026 roku. Instalacja została zaprojektowana do wytwarzania, oddzielania i precyzyjnego pomiaru rzadkich jąder promieniotwórczych. Takie badania pomagają ustalić, jak daleko można przesunąć granicę istnienia jąder atomowych, zanim staną się niestabilne.

Badanie prowadził Instytut Fizyki Współczesnej Chińskiej Akademii Nauk. W pracach uczestniczyli także Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk, niemieckie centrum GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Uniwersytet w Kolonii, East China University of Technology oraz Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Wyniki opublikowano w formie krótkiej publikacji w czasopiśmie Science Bulletin.

Dlaczego hafn-153 jest ważny?

Hafn-153 należy do obszaru ciężkich jąder z niedoborem neutronów. W takich układach równowaga między liczbą protonów i neutronów staje się coraz trudniejsza do utrzymania. Przed tym eksperymentem izotop nie był zgłaszany w literaturze naukowej. Potwierdzenie jego istnienia i pomiar masy dostarczają fizykom nowego punktu odniesienia do testowania modeli mas jąder oraz badania zmian ich struktury w pobliżu granicy stabilności.

Pomiary wskazują, że (^153)Hf jest jądrem związanym lub słabo związanym, co zgadza się z przewidywaniami kilku modeli mas jąder. Nie rozstrzyga to wszystkich pytań dotyczących tego izotopu, ale stanowi ważny sprawdzian teorii wykorzystywanych do przewidywania właściwości jąder trudnych — albo jeszcze niemożliwych — do bezpośredniego zaobserwowania.

Jak powstał i został rozpoznany izotop?

Eksperyment rozpoczął się od przyspieszenia wiązki bizmutu-209 do energii 836,66 MeV na nukleon w pierścieniu Booster Ring. Wiązka uderzyła w grafitową tarczę, wywołując reakcje fragmentacji pocisku. W ich wyniku powstała mieszanina wielu jąder promieniotwórczych.

Najtrudniejsze zadanie polegało na wyłowieniu hafnu-153 spośród znacznie częściej powstających produktów reakcji. Mieszaninę przefiltrowano w wysokosenergetycznej linii wiązki jonów promieniotwórczych HIRIBL, a następnie skierowano do pierścienia magazynującego i spektrometru SRing.

Detektory czasu przelotu pomogły rozróżnić kandydatów, natomiast izochroniczna spektrometria mas umożliwiła wykonanie precyzyjnego pomiaru potrzebnego do identyfikacji izotopu. Łącznie zarejestrowano 10 jonów (^153)Hf.

Izotop powstawał wyjątkowo rzadko — szacowany przekrój czynny reakcji był rzędu pikobarnów. Oznacza to, że do jego wykrycia konieczne było jednoczesne działanie kilku systemów: intensywnej wiązki pierwotnej, skutecznego rozdzielania produktów fragmentacji oraz spektrometrii mas czułej na pojedyncze jony.

Niezależne potwierdzenie z Japonii

Mniej więcej w tym samym czasie badacze z japońskiego ośrodka Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), należącego do instytutu RIKEN, niezależnie poinformowali o obserwacji (^153)Hf. Dwa niezależne pomiary wzajemnie wzmacniają identyfikację izotopu i ograniczają niepewność, która w przypadku zaledwie kilku zarejestrowanych zdarzeń ma szczególne znaczenie.

Takie potwierdzenie jest bardzo cenne w badaniach jąder produkowanych w skrajnie małych ilościach. Zgodność wyników HIAF i RIBF daje fizykom mocniejszą podstawę do porównywania właściwości hafnu-153 z przewidywaniami teorii jądrowej.

Co ten wynik mówi o możliwościach HIAF?

Odkrycie hafnu-153 nie jest końcem programu naukowego HIAF, lecz wczesnym testem jego możliwości. Pokazuje, że akcelerator, linia transportu wiązki promieniotwórczej, układy separacji fragmentów oraz precyzyjny pomiar masy mogą współpracować przy badaniu jąder jednocześnie rzadkich i krótko żyjących.

Wraz ze wzrostem intensywności wiązki i poprawą sprawności eksperymentów zasięg badawczy instalacji ma zwiększyć się mniej więcej stukrotnie, czyli o około dwa rzędy wielkości. Może to umożliwić odkrywanie kolejnych izotopów, bardziej wymagające testy modeli mas jąder oraz pomiary właściwości materii jądrowej przy coraz większej nierównowadze między liczbą protonów a neutronów.

Hafn-153 jest więc ważny z dwóch powodów. To nowe i wyjątkowo trudne do wytworzenia oraz zidentyfikowania jądro, a zarazem praktyczny dowód na to, że HIAF jest gotowy badać słabiej poznane granice „krajobrazu” jąder atomowych.