Studien leddes av Institute of Modern Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin. I arbetet deltog även University of Chinese Academy of Sciences, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, universitetet i Köln, East China University of Technology och Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Resultatet publicerades som en kort rapport i den vetenskapliga tidskriften Science Bulletin.

Varför hafnium-153 är viktigt

Hafnium-153 hör till området med neutronfattiga tunga atomkärnor, där balansen mellan protoner och neutroner blir allt svårare att upprätthålla. Före experimentet hade isotopen inte rapporterats. Att nu kunna fastställa dess existens och mäta dess massa ger kärnfysiker en ny datapunkt för att pröva modeller av kärnmassor och undersöka hur kärnstrukturen förändras nära stabilitetsgränsen.

Mätningen tyder på att ^153Hf är bunden eller svagt bunden, vilket stämmer överens med förutsägelser från flera kärnmassmodeller. Det avgör inte alla frågor om isotopen, men ger en viktig experimentell kontroll av teorier som används för att förutsäga atomkärnor som är mycket svåra – eller ännu inte möjliga – att observera direkt.

Så skapades och identifierades isotopen

Experimentet började med en stråle av vismut-209, som accelererades till 836,66 MeV per nukleon i HIAF:s Booster Ring. Strålen riktades mot ett grafitmål. Kollisionerna utlöste så kallad projektilefragmentering och skapade en blandning av radioaktiva atomkärnor.

Den blandningen behövde sedan sorteras och mätas. HIRIBL, HIAF:s högenergetiska strålgång för radioaktiva joner, separerade reaktionsprodukterna och transporterade dem till lagrings- och spektrometerringen SRing. Detektorer som mäter flygtid hjälpte forskarna att skilja ut kandidatkärnor, medan isokron masspektrometri gav den precision som krävdes för att identifiera hafnium-153. Totalt registrerade gruppen tio ^153Hf-joner.

Utmaningen var inte bara att framställa hafnium-153, utan att känna igen isotopen bland betydligt vanligare reaktionsprodukter. Den uppskattade produktions­tvärsnittet låg på pikobarnnivå, vilket innebär att isotopen bildades ytterst sällan. HIAF:s intensiva primärstråle, högupplösta fragmentseparation och masspektrometri med känslighet för enskilda joner behövde fungera tillsammans för att identifieringen skulle bli tillförlitlig.

Oberoende observation vid RIKEN

Ungefär samtidigt rapporterade forskare vid Japans Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), som drivs av forskningsinstitutet RIKEN, en oberoende observation av ^153Hf. De två observationerna stöder varandra och minskar den osäkerhet som annars kan följa med ett resultat baserat på bara en handfull detekterade joner.

Oberoende bekräftelser är särskilt värdefulla när atomkärnor produceras i extremt låg takt. I det här fallet stärker överensstämmelsen mellan HIAF och RIBF resultatet och ger forskarna en stabilare grund för jämförelser med kärnfysikens teorier.

Ett tidigt test av HIAF:s kapacitet

Upptäckten är framför allt en tidig demonstration av anläggningens prestanda – inte slutmålet för HIAF:s forskningsprogram. Den visar att acceleratorn, transporten av radioaktiva strålar, fragmentseparationen och den noggranna massmätningen kan samordnas för att studera atomkärnor som både är sällsynta och kortlivade.

När HIAF:s strålintensitet och experimentella effektivitet förbättras väntas anläggningens räckvidd öka med ungefär två storleksordningar. Det kan göra det möjligt att upptäcka fler isotoper, genomföra mer krävande tester av kärnmassmodeller och mäta kärnornas egenskaper vid allt mer extrema obalanser mellan protoner och neutroner.

Hafnium-153 är därför betydelsefullt av två skäl: det är en ny och exceptionellt svårproducerad atomkärna, samtidigt som observationen visar att HIAF nu har tekniken för att undersöka de mindre utforskade ytterkanterna av kärnlandskapet.

Studien leddes av Institute of Modern Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin. I arbetet deltog även University of Chinese Academy of Sciences, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, universitetet i Köln, East China University of Technology och Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Resultatet publicerades som en kort rapport i den vetenskapliga tidskriften Science Bulletin.

Varför hafnium-153 är viktigt

Hafnium-153 hör till området med neutronfattiga tunga atomkärnor, där balansen mellan protoner och neutroner blir allt svårare att upprätthålla. Före experimentet hade isotopen inte rapporterats. Att nu kunna fastställa dess existens och mäta dess massa ger kärnfysiker en ny datapunkt för att pröva modeller av kärnmassor och undersöka hur kärnstrukturen förändras nära stabilitetsgränsen.

Mätningen tyder på att ^153Hf är bunden eller svagt bunden, vilket stämmer överens med förutsägelser från flera kärnmassmodeller. Det avgör inte alla frågor om isotopen, men ger en viktig experimentell kontroll av teorier som används för att förutsäga atomkärnor som är mycket svåra – eller ännu inte möjliga – att observera direkt.

Så skapades och identifierades isotopen

Experimentet började med en stråle av vismut-209, som accelererades till 836,66 MeV per nukleon i HIAF:s Booster Ring. Strålen riktades mot ett grafitmål. Kollisionerna utlöste så kallad projektilefragmentering och skapade en blandning av radioaktiva atomkärnor.

Den blandningen behövde sedan sorteras och mätas. HIRIBL, HIAF:s högenergetiska strålgång för radioaktiva joner, separerade reaktionsprodukterna och transporterade dem till lagrings- och spektrometerringen SRing. Detektorer som mäter flygtid hjälpte forskarna att skilja ut kandidatkärnor, medan isokron masspektrometri gav den precision som krävdes för att identifiera hafnium-153. Totalt registrerade gruppen tio ^153Hf-joner.

Utmaningen var inte bara att framställa hafnium-153, utan att känna igen isotopen bland betydligt vanligare reaktionsprodukter. Den uppskattade produktions­tvärsnittet låg på pikobarnnivå, vilket innebär att isotopen bildades ytterst sällan. HIAF:s intensiva primärstråle, högupplösta fragmentseparation och masspektrometri med känslighet för enskilda joner behövde fungera tillsammans för att identifieringen skulle bli tillförlitlig.

Oberoende observation vid RIKEN

Ungefär samtidigt rapporterade forskare vid Japans Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), som drivs av forskningsinstitutet RIKEN, en oberoende observation av ^153Hf. De två observationerna stöder varandra och minskar den osäkerhet som annars kan följa med ett resultat baserat på bara en handfull detekterade joner.

Oberoende bekräftelser är särskilt värdefulla när atomkärnor produceras i extremt låg takt. I det här fallet stärker överensstämmelsen mellan HIAF och RIBF resultatet och ger forskarna en stabilare grund för jämförelser med kärnfysikens teorier.

Ett tidigt test av HIAF:s kapacitet

Upptäckten är framför allt en tidig demonstration av anläggningens prestanda – inte slutmålet för HIAF:s forskningsprogram. Den visar att acceleratorn, transporten av radioaktiva strålar, fragmentseparationen och den noggranna massmätningen kan samordnas för att studera atomkärnor som både är sällsynta och kortlivade.

När HIAF:s strålintensitet och experimentella effektivitet förbättras väntas anläggningens räckvidd öka med ungefär två storleksordningar. Det kan göra det möjligt att upptäcka fler isotoper, genomföra mer krävande tester av kärnmassmodeller och mäta kärnornas egenskaper vid allt mer extrema obalanser mellan protoner och neutroner.

Hafnium-153 är därför betydelsefullt av två skäl: det är en ny och exceptionellt svårproducerad atomkärna, samtidigt som observationen visar att HIAF nu har tekniken för att undersöka de mindre utforskade ytterkanterna av kärnlandskapet.