HIAF’ın ilk fizik sonucu: Nükleer kararlılığın sınırında yalnızca 10 hafniyum-153 iyonu

Çin’in Guangdong eyaletindeki Huizhou’da bulunan Yüksek Şiddetli Ağır İyon Hızlandırıcı Tesisi (HIAF), devreye alma aşamasındaki ilk fizik sonucunu elde etti. Bilim insanları, daha önce raporlanmamış son derece nadir hafniyum-153 (^153Hf) izotopundan yalnızca 10 iyon üreterek tanımladı. Sonuç, yeni tesisin nükleer kararlılığın sınırlarına yakın nadir çekirdeklere ulaşabildiğini gösteriyor.

HIAF’ın ilk sonucu ne anlama geliyor?

HIAF, nadir radyoaktif çekirdekleri üretmek, birbirinden ayırmak ve yüksek hassasiyetle ölçmek için tasarlanmış yeni nesil bir ağır iyon araştırma tesisi. Bu çalışmalar, atom çekirdeklerinin kararsız hale gelmeden önce ne kadar ileri gidebildiğini, başka bir deyişle nükleer varoluş sınırlarını anlamaya yardımcı oluyor. Tesis, 21 Temmuz 2026’da deneme çalışmalarına başladı.

Hafniyum-153 araştırması, Çin Bilimler Akademisi’ne bağlı Modern Fizik Enstitüsü tarafından yürütüldü. Çalışmaya Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi, Almanya’daki GSI Helmholtz Ağır İyon Araştırmaları Merkezi, Köln Üniversitesi, Doğu Çin Teknoloji Üniversitesi ve Guangdong İleri Enerji Bilimi ve Teknolojisi Laboratuvarı da katkı verdi. Araştırmanın sonuçları Science Bulletin dergisinde kısa ileti olarak yayımlandı.

Hafniyum-153 neden önemli?

Hafniyum-153, ağır çekirdeklerin nötron bakımından fakir olduğu bölgede yer alıyor. Bu bölgede protonlar ve nötronlar arasındaki dengeyi korumak giderek zorlaşıyor. Deneyden önce bu izotopun varlığı raporlanmamıştı.

İzotopun varlığının ortaya konması ve kütlesinin ölçülmesi, nükleer kütle modellerini sınamak için yeni bir deneysel veri noktası sağlıyor. Aynı zamanda nükleer yapının kararlılık sınırına yaklaşıldıkça nasıl değiştiğini anlamaya katkı sunuyor.

Ölçüm, ^153Hf’nin bağlı ya da zayıf bağlı bir çekirdek olduğunu ve bu sonucun çeşitli nükleer kütle modellerinin öngörüleriyle uyumlu bulunduğunu gösteriyor. Bu uyum, izotopla ilgili tüm soruları yanıtlamıyor; ancak doğrudan gözlemlenmesi son derece zor olan çekirdekleri tahmin etmekte kullanılan teoriler için önemli bir deneysel kontrol oluşturuyor.

İzotop nasıl üretildi ve tanımlandı?

Deneyde HIAF’ın Booster Ring hızlandırıcısında bizmut-209 demeti, nükleon başına 836,66 MeV enerjiye çıkarıldı. Bu yüksek enerjili demet daha sonra grafit bir hedefe gönderildi. Çarpışma sırasında gerçekleşen proje­til parçalanması tepkimeleri, çok sayıda radyoaktif çekirdekten oluşan bir karışım meydana getirdi.

Araştırmacıların asıl zorluğu yalnızca hafniyum-153’ü üretmek değil, onu çok daha yaygın tepkime ürünleri arasından seçip tanımaktı. Ürün karışımı, HIRIBL yüksek enerjili radyoaktif iyon demeti hattında ayrıştırılarak SRing depolama ve spektrometre halkasına taşındı.

Uçuş süresi dedektörleri aday çekirdekleri ayırt etmeye yardımcı oldu. Ardından izokron kütle spektrometrisiyle gerekli hassas ölçüm yapıldı. Ekip, deney boyunca toplam 10 hafniyum-153 iyonu kaydetti.

Hafniyum-153’ün tahmini üretim tesir kesiti pikobarn düzeyindeydi. Bu, izotopun olağanüstü düşük bir olasılıkla üretildiği anlamına geliyor. Sonucun güvenilir biçimde elde edilmesi için HIAF’ın yüksek şiddetli birincil demeti, yüksek çözünürlüklü parçacık ayırma sistemi ve tek iyonlara duyarlı kütle spektrometrisi birlikte çalıştı.

RIKEN’den bağımsız gözlem

Japonya’daki RIKEN araştırma enstitüsünün Radyoaktif İzotop Demet Tesisi’nde (RIBF) çalışan araştırmacılar da yaklaşık aynı dönemde ^153Hf gözlemlediklerini bağımsız olarak bildirdi. İki ayrı tesiste elde edilen sonuçlar, izotopun tanımlanmasını karşılıklı olarak güçlendiriyor.

Bağımsız doğrulama, üretim oranı son derece düşük olan ve yalnızca birkaç iyonla gözlemlenebilen çekirdekler açısından özellikle değerli. HIAF ve RIBF sonuçlarının uyumu, hafniyum-153’ün nükleer teoriyle karşılaştırmalarda kullanılabilmesi için daha sağlam bir temel sunuyor.

HIAF’ın kapasitesi hakkında ne gösteriyor?

Hafniyum-153 sonucu, HIAF’ın bilimsel programının son noktası değil; tesisin performansına dair erken bir gösterge. Sonuç, hızlandırıcının, radyoaktif demet taşıma ve parçacık ayırma sistemlerinin yanı sıra hassas kütle ölçüm altyapısının birlikte çalışarak son derece nadir ve kısa ömürlü çekirdekleri inceleyebildiğini ortaya koyuyor.

HIAF’ın demet şiddeti ve deneysel verimliliği arttıkça tesisin deneysel erişiminin yaklaşık iki büyüklük mertebesi iyileşmesi bekleniyor. Bu gelişme, yeni izotopların keşfedilmesine, nükleer kütle modellerinin daha zorlu biçimde sınanmasına ve proton-nötron dengesizliğinin daha uç noktalarında nükleer özelliklerin ölçülmesine imkân sağlayabilir.

Bu nedenle hafniyum-153 iki açıdan önem taşıyor: Üretilmesi ve tanımlanması son derece güç, yeni bir çekirdek olması ve HIAF’ın nükleer haritanın daha az keşfedilmiş sınırlarını araştırmaya hazır olduğunu pratikte göstermesi.