Jeden eksperyment, cała mapa izotopów ze wzbudzeniami pigmejskimi

Międzynarodowemu zespołowi fizyków po raz pierwszy udało się podczas jednego eksperymentu zmierzyć wysokoenergetyczne promieniowanie gamma emitowane przez kilkanaście ciężkich, niestabilnych jąder atomowych. Wyniki badań, w których istotny udział mieli naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, przybliżają odpowiedź na jedno z ważnych pytań współczesnej fizyki jądrowej – skąd bierze się nadmiar wysokoenergetycznego promieniowania gamma emitowanego podczas rozszczepiania jąder atomowych.

Jeden eksperyment, wiele odpowiedzi

Dlaczego wzbudzone, ciężkie jądra atomowe powstające podczas rozszczepienia emitują pozornie nadmiarowe ilości promieniowania gamma o szczególnie wysokich energiach? Odpowiedzi na to pytanie dostarcza międzynarodowy eksperyment przeprowadzony w ośrodku akceleratorowym GANIL w Caen we Francji.

W trakcie doświadczenia tarczę z berylu (⁹Be) bombardowano jonami uranu (²³⁸U). W wyniku reakcji najczęściej powstawało niestabilne jądro kiuru (²⁴⁷Cm), które szybko ulegało rozszczepieniu na dwa mniejsze jądra. Dzięki zastosowaniu unikatowych metod pomiarowych naukowcy po raz pierwszy w ramach jednego eksperymentu zebrali dane o wysokoenergetycznych emisjach gamma dla kilkunastu ciężkich, niestabilnych izotopów.

Pierwsze wyniki badań, w których znaczący wkład wniósł Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, zostały opublikowane na łamach czasopisma Physics Letters B.

– Dla naszego projektu krytyczne znaczenie miała obserwacja wzbudzonych jąder atomowych formujących się w rozszczepieniu kiuru, ponieważ powstawały wówczas ciężkie jądra dotychczas podobnymi metodami niebadane – mówi dr inż. Michał Ciemała z IFJ PAN. – W GANIL znajduje się znakomity stacjonarny spektrometr magnetyczny VAMOS++. Nasze kompleksowe pomiary były możliwe dzięki połączeniu jego możliwości z możliwościami mobilnego spektrometru promieniowania gamma PARIS.

Dwa spektrometry, jedna unikatowa metoda

Kluczową rolę w eksperymencie odegrał spektrometr PARIS – zestaw najnowocześniejszych detektorów scyntylacyjnych zgrupowanych w klastry, zdolnych do rejestrowania wysokoenergetycznego promieniowania gamma w bardzo krótkich przedziałach czasu. Urządzenie, pierwotnie zaproponowane przez prof. dr. hab. Adama Maja, rozwijane jest od kilkunastu lat przez międzynarodowe konsorcjum naukowe koordynowane przez IFJ PAN, z istotnym wykorzystaniem potencjału badawczego i technicznego Centrum Cyklotronowego Bronowice – oddziału Instytutu.

Jak wyjaśnia dr Michał Ciemała, spektrometr VAMOS++ pozwalał z dużą dokładnością określać masy i ładunki jąder powstających po rozszczepieniu wzbudzonego kiuru, natomiast PARIS rejestrował emitowane przez nie promieniowanie gamma.

– Ponieważ wzbudzony kiur może rozszczepiać się na różne izotopy, podczas dwutygodniowej sesji pomiarowej jako pierwsi zarejestrowaliśmy wysokoenergetyczne emisje gamma dla całej grupy izotopów znajdujących się daleko poza dobrze poznaną ścieżką stabilności – podkreśla badacz.

Ścieżka stabilności obejmuje jądra atomowe, które nie ulegają szybkim spontanicznym rozpadom. Ich stabilność wynika z korzystnej konfiguracji protonów i neutronów. W przypadku lekkich jąder liczba protonów jest zwykle zbliżona do liczby neutronów, natomiast ciężkie jądra wymagają nadmiaru neutronów, aby zachować stabilność.

Trop prowadzący do rezonansów pigmejskich

Na podstawie danych zebranych przez spektrometry PARIS i VAMOS++ badacze przypisali konkretne emisje gamma do określonych niestabilnych jąder powstałych podczas rozszczepienia kiuru. Następnie francuscy fizycy teoretyczni przeprowadzili obliczenia dla tych izotopów, które wskazują, że przynajmniej za część obserwowanych emisji odpowiadają tzw. rezonanse pigmejskie.

Zjawisko to występuje w ciężkich jądrach atomowych zawierających wyraźny nadmiar neutronów. Nadmiarowe neutrony tworzą na powierzchni jądra tzw. skórę neutronową. Gdy jądro zostanie wzbudzone, neutrony mogą wykonywać dwa rodzaje drgań – jako cała warstwa neutronowa lub niezależnie od niej. To właśnie te słabsze drgania neutronów, określane mianem rezonansów pigmejskich, prowadzą do emisji wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

Badane izotopy obejmują kilkanaście niestabilnych jąder położonych w pobliżu podwójnie magicznej cyny (¹³²Sn). Określenie „podwójnie magiczna” oznacza, że zarówno liczba protonów, jak i neutronów odpowiada tzw. liczbom magicznym, przy których powłoki energetyczne jądra są całkowicie zapełnione.

Nowe możliwości porównywania izotopów

Dotychczas badania wysokoenergetycznych emisji gamma wymagały prowadzenia osobnych, czasochłonnych eksperymentów przygotowywanych dla każdego izotopu z osobna. Nowa metoda pozwoliła zmienić to podejście.

– W jednym eksperymencie zmapowaliśmy wiele dotychczas pod tym kątem niebadanych jąder atomowych. Nie tylko lepiej poznaliśmy całą gamę izotopów, ale także zrobiliśmy to przy tych samych błędach systemowych. Dzięki temu nasze wyniki pozwalają wykonywać wyjątkowo wiarygodne porównania emisji gamma między różnymi izotopami – podkreśla dr Michał Ciemała.

Znaczenie dla energetyki i astrofizyki

Zebrane dane pomogą fizykom teoretycznym lepiej kalibrować modele opisujące proces rozszczepiania jąder atomowych, a tym samym dokładniej poznawać jego dynamikę.

Może to mieć również praktyczne zastosowania, między innymi przy projektowaniu nowych elektrowni jądrowych – bardziej wydajnych, bezpieczniejszych oraz wytwarzających mniej odpadów promieniotwórczych.

Wyniki badań będą cenne także dla astrofizyki. Dokładniejsze informacje o rozszczepieniu jąder i właściwościach ciężkich wzbudzonych jąder atomowych pomogą lepiej opisywać procesy powstawania pierwiastków we Wszechświecie, przewidywać zjawiska zachodzące podczas zderzeń gwiazd neutronowych oraz udoskonalać modele wykorzystywane do szacowania czasów życia czarnych dziur.

Finansowanie

Projekt badawczy został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki, Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej oraz polsko-francuskich programów współpracy naukowej LEA COPIGAL i IN2P3-COPIN.

Publikacja

„First experimental isotopic mapping of the fission “γ-bump” and its connection to the Pygmy dipole resonance” N. Kumar, C. Schmitt, M. Ciemala, A. Maj, A. Lemasson, D. Ramos, M. Rejmund, S. Brambilla, Y. Cho, E. Clément, O. Dorvaux, J. Dudouet, G. de. France, A. Goasduff, B. Jacquot, S. Kihel, M. Lewitowicz, O. Litaize, I. Matea, S. Péru, D. S. Ahn, A. N. Andreyev, P. Bednarczyk, C. Boiano, C. Borcea, A. Bracco, M. Caamano, S. Calinescu, D. Curien, F. Didierjean, G. Duchnne, S. Erturk, M. Filliger, M. Forge, B. Fornal, B. Gall, I. Harca, D. G. Jenkins, D. T. Kattikat Melcom, Y. H. Kim, M. Kmiecik, S. Leoni, K. Mazurek, V. Nanal, A. Navin, A. Oberstedt, S. Oberstedt, C. Petrone, J. Piot, B. Sowicki, M. Stanoiu, L. Stuttgé, A. Utepov, M. Ziębliński. Physics Letters B 2026, 878, 140506 DOI: 10.1016/j.physletb.2026.140506

Fot. Artystyczna wizualizacja emisji promieniowania gamma przez rezonanse pigmejskie skóry neutronowej wzbudzonych jąder atomowych powstałych w rozszczepieniu kiuru. (Źródło: IFJ PAN)

O Instytucie Fizyki Jądrowej PAN

Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie prowadzi badania podstawowe i aplikacyjne w obszarze fizyki oraz nauk pokrewnych. Główna część działalności naukowej Instytutu koncentruje się na badaniu struktury materii, w tym własności oddziaływań fundamentalnych od skali kosmicznej po cząstki elementarne. Częścią Instytutu jest nowoczesne Centrum Cyklotronowe Bronowice, unikalny w skali europejskiej ośrodek, obok badań naukowych zajmujący się terapią protonową nowotworów. IFJ PAN prowadzi też cztery akredytowane laboratoria badawcze i pomiarowe. Wyniki badań – obejmujących fizykę i astrofizykę cząstek, fizykę jądrową i oddziaływań silnych, fizykę fazy skondensowanej materii, fizykę medyczną, inżynierię nanomateriałów, geofizykę, biologię radiacyjną i środowiskową, radiochemię, dozymetrię oraz fizykę i ochronę środowiska – są każdego roku przedstawiane w ponad 600 artykułach publikowanych w recenzowanych wysoko punktowanych czasopismach naukowych. Corocznie Instytut jest organizatorem lub współorganizatorem wielu międzynarodowych i krajowych konferencji naukowych oraz szeregu seminariów i innych spotkań naukowych. IFJ PAN jest członkiem Krakowskiego Konsorcjum Naukowego „Materia–Energia–Przyszłość”, któremu, na lata 2012–2017, nadany został status Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego (KNOW). Wiele projektów i przedsięwzięć realizowanych przez Instytut jest wpisanych na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej (PMIB). Instytut zatrudnia ponad pół tysiąca pracowników. Komisja Europejska przyznała IFJ PAN prestiżowe wyróżnienie „HR Excellence in Research” jako instytucji stosującej zasady „Europejskiej Karty Naukowca” i „Kodeksu Postępowania przy rekrutacji pracowników naukowych”. W kategoryzacji MEiN Instytut został zaliczony do najwyższej kategorii naukowej A+ w obszarze nauk fizycznych.