Att få en bättre förståelse för de begränsande faktorerna för existensen av stabil, superheavy elements är en decennium gammal strävan efter kemi och fysik. Supertunga element, som kallas kemiska grundämnen med atomnummer större än 103, förekommer inte i naturen och produceras artificiellt med partikelacceleratorer. De försvinner inom några sekunder.

Ett team av forskare från GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung Darmstadt, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM) och University of Jyvaeskylae, Finland, ledd av Dr Jadambaa Khuyagbaatar från GSI och HIM, har gett nya insikter om klyvningsprocesserna i dessa exotiska kärnor och för detta, har producerat den hittills okända kärnan mendelevium-244. Experimenten var en del av "FAIR Phase 0, " det första steget av FAIRs experimentella program. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Tunga och supertunga kärnor blir allt mer instabila mot fissionsprocessen, där kärnan delar sig i två lättare fragment. Detta beror på den allt starkare Coulomb-avstötningen mellan det stora antalet positivt laddade protoner i sådana kärnor, och är en av huvudbegränsningarna för existensen av stabila supertunga kärnor.

Kärnklyvningsprocessen upptäcktes för mer än 80 år sedan och studeras intensivt än i dag. De flesta experimentella data om den spontana klyvningen gäller kärnor med ett jämnt antal protoner och neutroner – kallade "jämna kärnor". Jämna kärnor består helt av proton- och neutronpar och deras klyvningsegenskaper är ganska väl beskrivna med teoretiska modeller. I kärnor med ett udda antal antingen neutroner eller protoner, ett hinder för klyvningsprocessen jämfört med egenskaperna hos jämna kärnor har observerats och spårats tillbaka till påverkan av en sådan, oparad beståndsdel i kärnan.

Dock, klyvningshindret i udda-udda kärnor, ' innehållande båda, ett udda antal protoner och ett udda antal neutroner, är mindre känt. Tillgängliga experimentella data indikerar att den spontana fissionsprocessen i sådana kärnor är kraftigt hindrad, ännu mer än i kärnor med endast en udda typ av beståndsdelar.

När fissionssannolikheten är mest reducerad, andra radioaktiva sönderfallslägen som alfa-sönderfall eller beta-sönderfall blir troliga. I beta-förfall, en proton omvandlas till en neutron (eller vice versa) och, följaktligen, udda-udda kärnor förvandlas till jämna kärnor, som vanligtvis har en hög fissionssannolikhet. Följaktligen, om en klyvningsaktivitet observeras i experiment på produktion av en udda kärna, det är ofta svårt att identifiera om fission inträffade i den udda-udda kärnan, eller inte snarare utgått från dottern med jämn beta-förfall, som sedan kan genomgå beta-fördröjd fission. Nyligen, Dr Jadambaa Khuyagbaatar från GSI och HIM förutspådde att denna beta-fördröjda fissionsprocess kan vara mycket relevant för de tyngsta kärnorna och – i själva verket – kan vara ett av de huvudsakliga sönderfallssätten för beta-fördröjande supertunga kärnor.

I supertunga kärnor, som är oerhört svåra att framställa experimentellt, beta-sönderfall har ännu inte observerats definitivt. Till exempel, i fallet med det tyngsta elementet som tillverkats vid GSI Darmstadt, tennessine (element 117), endast två atomer av den udda kärnan tennessine-294 observerades i ett experiment som varade ungefär en månad. Denna låga produktionshastighet begränsar verifieringen och den detaljerade studien av den fördröjda klyvningsprocessen för beta-sönderfall. Fortfarande, nya experimentella data för att belysa denna process uppnås bäst i exotiska kärnor, som de som har ett extremt obalanserat förhållande mellan protoner och neutroner. För detta, teamet från GSI, JGU, HIM och Jyväskylä universitet har producerat den hittills okända kärnan mendelevium-244, en udda kärna som består av 101 protoner och 143 neutroner.

Den teoretiska uppskattningen tyder på att beta-sönderfall av denna kärna kommer att följas av fission i ungefär ett av fem fall. På grund av det stora energiutsläppet från fissionsprocessen, detta kan upptäckas med hög känslighet, medan betasönderfall är svårare att mäta. Forskarna använde en intensiv stråle av titan-50 tillgänglig på GSI:s UNILAC-accelerator för att bestråla ett guldmål. Reaktionsprodukterna av titan- och guldkärnor separerades i Transactinide Separator and Chemistry TASCA, som styrde mendeleviumkärnor in i en kiseldetektor lämplig för att registrera implantationen av kärnorna såväl som deras efterföljande sönderfall.

En första del av studierna, utfördes 2018, ledde till observationen av sju atomer av mendelevium-244. År 2020, forskarna använde en lägre titanium-50 strålenergi, vilket är otillräckligt för att leda till produktion av mendelevium-244. Verkligen, signaler som de som tilldelades mendelevium-244 i 2018 års studie saknades i denna del av datamängden, bekräftar den korrekta tilldelningen av 2018-data och bekräftar upptäckten av den nya isotopen.

Alla de sju registrerade atomkärnorna genomgick alfasönderfall, dvs. utsläpp av en helium-4 kärna, som ledde till dotterisotopen einsteinium-240, upptäcktes för fyra år sedan av ett tidigare experiment utfört vid Jyväskylä universitet. Beta-förfall observerades inte, vilket gör det möjligt att fastställa en övre gräns för detta avklingningsläge på 14 procent. Om 20-procentig fissionssannolikhet för alla beta-sönderfallande kärnor var korrekta, den totala sannolikheten för beta-fördröjd fission skulle vara högst 2,8 procent och dess observation skulle kräva produktion av väsentligt fler mendelevium-244-atomer än i detta upptäcktsexperiment.

Förutom den alfasönderfallande mendelevium-244, forskarna hittade signaler om kortlivade fissionshändelser med oväntade egenskaper angående deras antal, sannolikhet för produktion, och halveringstid. Deras ursprung kan för närvarande inte fastställas exakt, och är faktiskt inte lätt att förklara med nuvarande kunskap om produktionen och sönderfallet av isotoper i regionen mendelevium-244. Detta motiverar uppföljningsstudier för att få mer detaljerad data, vilket kommer att bidra till att ytterligare belysa klyvningsprocessen i udda-udda kärnor.