Insel der asymmetrischen Kernspaltung entdeckt
Unerwarteter Bereich schwerer, neutronenarmer Isotope in der Nuklidkarte identifiziert.
Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat einen unerwarteten Bereich schwerer, neutronenarmer Isotope in der Nuklidkarte identifiziert, in dem die Kernspaltung überwiegend durch einen asymmetrischen Modus bestimmt wird. Das Experiment wurde am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt im Rahmen des FAIR-Phase-0-Programms durch die Forschungskollaboration R3B-SOFIA durchgeführt.
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Das Forschungsteam untersuchte die Spaltungseigenschaften von 100 verschiedenen neutronenarmen exotischen Isotopen, die von Iridium (Ordnungszahl Z = 77) bis Thorium (Z = 90) reichen. Diese Isotope mit einer geringen Anzahl von Neutronen im Verhältnis zur Protonenzahl wurden durch die Fragmentierung eines relativistischen Primärstrahls von Uran-238 mit 87,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erzeugt, anschließend mit dem GSI/FAIR-Fragmentseparator FRS getrennt und einzeln identifiziert.
Am GSI/FAIR-Messaufbau R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams), erweitert um eine Reihe spezieller Systeme für die Messung einzigartiger Muster von Spaltungsexperimenten, wurden die Isotope auf ein segmentiertes Bleitarget gelenkt. Die dort stattfindende Anregung auf einige Megaelektronenvolt oberhalb ihrer Grundzustandsenergie löste die Spaltung in zwei leichtere Fragmente aus. Die Doppel-Ionisationskammer TWIN-MUSIC ermöglichte die Messung der Ladungen der beiden Spaltprodukte. Darüber hinaus trennte der große, mit Helium gekühlte supraleitende Dipolmagnet GLAD die Spaltfragmente nach ihrem Impuls-Ladungs-Verhältnis und beugte sie in Richtung großflächiger Detektorarrays zur Verfolgung und Flugzeitmessung, um die Reaktionsdynamik zu rekonstruieren.
Terabytes an Daten, die während des zehntägigen Experiments gesammelt wurden, zeigen einen Übergang zu zunehmend asymmetrischer Spaltung in neutronenarmen schweren Kernen. Dies markiert die Entdeckung einer neuen „Insel der asymmetrischen Spaltung“ in der Nuklidkarte, die durch eine überraschende Dominanz von leichten Krypton-Spaltfragmenten (Z = 36) gekennzeichnet ist.
„Über die Kartierung dieses neuartigen Phänomens hinaus verbessern unsere Ergebnisse das Verständnis sowohl der irdischen als auch der kosmischen Spaltungsprozesse“, sagt Pierre Morfouace von der Université Paris-Saclay/CEA. „Darüber hinaus bieten sie wertvolle Anhaltspunkte für theoretische Modelle, indem sie deren Vorhersagekraft für die Verteilung von Spaltfragmenten in neutronenreichen Systemen erheblich verbessern. Das ist unter anderem für das Verständnis der Nukleosynthese im r-Prozess relevant.“ Die Entdeckung ist somit ein großer Schritt vorwärts zum Verständnis des Spaltungsrecyclings, das in Supernova-Explosionen erwartet wird und die Elementproduktion in unserer Galaxie antreibt, und ein Einstieg, um die Ausdehnung der neu beobachteten Region in der Nuklidkarte zu bestimmen, in der die asymmetrische Spaltung dominiert.
„Darüber hinaus demonstrieren die Ergebnisse eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit des R3B-Setups und geben einen Ausblick auf FAIR in der Zukunft“, ergänzt Haik Simon, Leiter der Abteilung „Super Fragment Separator“. „Mit der Kombination aus Super-Fragmentseparator, dem Nachfolger des FRS, und dem geplanten NUSTAR-Experimentprogramm bei FAIR werden einzigartige Möglichkeiten zur Produktion und Selektion noch seltenerer und exotischerer Isotope geschaffen, um damit offene Forschungsfragen in diesem Gebiet zu adressieren.“
An der internationalen Beschleunigeranlege FAIR, die sich aktuell bei GSI im Aufbau befindet, ist eine Reihe von Folgeexperimenten geplant. Der neue supraleitende Fragmentseparator Super-FRS kann entscheidend dazu beitragen, das Phänomen der asymmetrischen Spaltung detaillierter zu untersuchen und grundlegende Aspekte der Kernmaterie unter extremen Bedingungen aufzudecken.
GSI / JOL
