Einem Forscherteam von GSI/FAIR, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz ist es gelungen, die Grenzen der sogenannten Stabilitätsinsel innerhalb der superschweren Nuklide durch die Messung des superschweren Rutherfordium-252-Kerns genauer zu erforschen der kürzeste bekannte superschwere Kern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung und als „Vorschlag des Herausgebers“ hervorgehoben.
Die starke Kraft sorgt für den Zusammenhalt in Atomkernen bestehend aus Protonen und Neutronen. Da sich die positiv geladenen Protonen jedoch gegenseitig abstoßen, besteht die Gefahr, dass sich Kerne mit zu vielen Protonen spalten – eine Herausforderung bei der Herstellung neuer, superschwerer Elemente. Bestimmte Kombinationen von Protonen und Neutronen, die sogenannten „magischen Zahlen“, verleihen Kernen zusätzliche Stabilität. Unter Berücksichtigung dieser magischen Kombinationen sagen theoretische Arbeiten aus den 1960er Jahren eine Insel der Stabilität im Meer instabiler superschwerer Kerne voraus, auf der sehr lange Lebenszeiten erreicht werden könnten, die sogar dem Alter der Erde nahe kommen könnten.
Das Konzept dieser Insel wurde inzwischen durch die Beobachtung zunehmender Halbwertszeiten in den schwersten derzeit bekannten Kernen bestätigt, wenn man sich der vorhergesagten nächsten magischen Zahl von 184 Neutronen nähert. Die Lage des Gipfels dieser Insel, seine Höhe (die die maximal erwartete Halbwertszeit widerspiegelt) und auch die Ausdehnung der Insel sind jedoch noch unbekannt. Forscher von GSI/FAIR in Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) sind der Kartierung dieser Insel nun einen Schritt näher gekommen, indem sie den bisher kürzesten bekannten superschweren Kern entdeckt haben, der die markiert Position der Küstenlinie der Insel in Kernen von Rutherfordium (Rf, Element 104).
Um einen experimentellen Nachweis zu ermöglichen, liegt die Mindestlebensdauer superschwerer Kerne in der Größenordnung einer Millionstelsekunde, was extrem kurzlebige superschwere Kerne in der Nähe eines Meeres der Instabilität unzugänglich macht. Doch es gibt einen Trick: Manchmal zeigen angeregte Zustände, die durch Quanteneffekte stabilisiert werden, eine längere Lebensdauer und öffnen ein Tor zu den kurzlebigen Kernen. „Solche langlebigen angeregten Zustände, sogenannte Isomere, sind nach meinen Berechnungen in superschweren Kernen mit deformierter Form weit verbreitet“, sagt Dr. Khuyagbaatar Jadambaa, Erstautor der Publikation aus der Forschungsabteilung für Chemie superschwerer Elemente von GSI/FAIR. „So bereichern sie das Bild der Insel der Stabilität mit ‚Wolken der Stabilität‘, die über dem Meer der Instabilität schweben.“
Dem Forschungsteam aus Darmstadt und Mainz gelang es, diese Vorhersagen zu überprüfen, indem es nach dem bisher unbekannten Kern Rf-252 suchte. Die Forscher verwendeten einen intensiven Titan-50-Strahl, der am UNILAC-Beschleuniger von GSI/FAIR verfügbar war, um Titankerne mit Bleikernen zu verschmelzen, die auf einer Zielfolie bereitgestellt wurden. Die Fusionsprodukte wurden im TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA getrennt. Nach einer Flugzeit von etwa 0,6 Mikrosekunden implantierten sie sich in einen Siliziumdetektor. Dieser Detektor registrierte ihre Implantation sowie ihren anschließenden Zerfall.
Insgesamt wurden 27 durch Spaltung zerfallende Rf-252-Atome mit einer Halbwertszeit von 13 Mikrosekunden nachgewiesen. Dank des schnellen digitalen Datenerfassungssystems, das von der Abteilung Experimentelle Elektronik von GSI/FAIR entwickelt wurde, konnten Elektronen nachgewiesen werden, die nach der Implantation des Isomers Rf-252m emittiert und bei seinem Zerfall in den Grundzustand freigesetzt wurden. Drei solcher Fälle wurden registriert. In allen Fällen folgte innerhalb von 250 Nanosekunden eine weitere Spaltung. Aus diesen Daten wurde eine Halbwertszeit von 60 ns für den Grundzustand von Rf-252 abgeleitet, der derzeit der kürzeste derzeit bekannte superschwere Kern ist.
„Das Ergebnis senkt die Untergrenze der bekannten Lebensdauern der schwersten Kerne um fast zwei Größenordnungen auf Zeiten, die für eine direkte Messung in Abwesenheit geeigneter Isomerzustände zu kurz sind. Die vorliegenden Ergebnisse setzen einen neuen Maßstab für die weitere Erforschung.“ Phänomene, die mit solchen Isomerzuständen verbunden sind, die invertierte Spaltstabilität, bei der angeregte Zustände stabiler sind als der Grundzustand, und die Isotopengrenze in den schwersten Kernen. sagt Professor Christoph E. Düllmann, Leiter der Forschungsabteilung für Chemie superschwerer Elemente bei GSI/FAIR.
In zukünftigen experimentellen Kampagnen ist die Messung isomerer Zustände mit invertierter Spaltstabilität im nächstschwereren Element Seaborgium (Sg, Element 106) vorgesehen und soll für die Synthese von Sg-Istopen mit Lebensdauern unter einer Mikrosekunden verwendet werden, um das Isotop weiter abzubilden Grenze. Das Ergebnis eröffnet auch neue Perspektiven für die internationale Einrichtung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), die derzeit in Darmstadt entsteht.
