Kärnfysikalisk seglats mot mytomspunnen ö

Liten ö mitt ute i ett hav.
Sökandet efter den så kallade stabilitetsön fortsätter. FOTO: UNSPLASH
Sökandet efter den så kallade stabilitetsön fortsätter. FOTO: UNSPLASH

Redan i slutet av 1960-talet lanserades teorier om en möjlig förekomst av supertunga grundämnen. Deras mest långlivade atomkärnor skulle kunna ge upphov till en så kallad ”stabilitetsö” långt bortom grundämnet uran. Men nu visar en studie, som letts av kärnfysiker vid Lunds universitet, att ett 50 år gammalt kärnfysikmanifest måste revideras.

Det tyngsta grundämnet som finns i naturen är uran, vars atomkärnor innehåller 92 protoner och 146 neutroner. Atomkärnor hos tyngre element blir mer och mer instabila på grund av det ökande antalet positivt laddade protoner. Därför sönderfaller de vanligtvis snabbare och snabbare, oftast inom bråkdelen av en sekund. En ”magisk” kombination av antalet protoner och neutroner kan dock leda till grundämnen med snabbt ökande livslängder. Ett sådant ”magiskt” protontal har länge förutspåtts för atomkärnor i grundämnet flerovium, som betecknar atomnummer 114 i det periodiska systemet. Redan i slutet av 1960-talet lanserades en teori av bland annat Lundafysikern Sven-Gösta Nilsson att en sådan stabilitetsö borde finnas runt det då ännu inte upptäckta grundämnet 114.

– Det här är något av en helig graal inom kärnfysiken. Många drömmer om att få upptäcka något så exotiskt som ett långlivat, eller till och med stabilt, supertungt grundämne, säger Anton Såmark-Roth, doktorand i kärnfysik vid Lunds universitet.

Experiment i Tyskland

Inspirerade av Nilssons teorier har forskarna studerat grundämnet flerovium i detalj och gjort banbrytande upptäckter. Experimentet genomfördes av ett internationellt forskarlag, lett av Dirk Rudolph, professor vid Lunds universitet. Inom ramen för forskningsprogrammet FAIR Phase-0 vid partikelacceleratoranläggningen GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i tyska Darmstadt accelererades upp emot 6x1018  (6000000000000000000) kalcium-48 atomkärnor till 10 procent av ljusets hastighet. De fick bombardera en tunn film med sällsynt plutonium-244 och genom kärnfusion kunde flerovium skapas, en atomkärna åt gången. I det 18 dagar långa experimentet registrerade sedan forskarlaget radioaktiva sönderfall av några tiotals flerovium-kärnor i en detektionsapparat speciellt utvecklad i Lund. Genom att exakt analysera sönderfallsfragmenten och de tider inom vilka de släpptes ut kunde teamet identifiera nya sönderfallsgrenar av flerovium. Det visade sig att dessa inte kunde förenas med ämnets tidigare förutsagda ”magiska” egenskaper.

– Vi blev mycket nöjda med att all teknik kring vår experimentuppställning funkade som den skulle när stråltiden väl började. Framförallt att vi kunde följa sönderfallet av några flerovium-kärnor från kontrollrummet i realtid var väldigt kul, säger Daniel Cox, postdoktor i kärnfysik vid Lunds universitet.

Sökandet fortsätter

De nya resultaten, som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters, kommer att vara till stor nytta för vetenskapen. Istället för att leta efter stabilitetsön runt grundämne 114 kan forskarvärlden rikta strålkastarljuset mot andra, ännu inte upptäckta grundämnen.

Det var ett krävande men givetvis väldigt lyckat experiment. Med facit i hand kan vi nu släppa grundämne 114 och istället leta runt grundämne 120 som ännu inte upptäckts. Nu sätter seglatsen mot stabilitetsön ny kurs, säger Anton Såmark-Roth.

Den vetenskapliga studien publiceras i Physical Review Letters

En avancerad apparat i ett laboratorium.

Experimentet

Experimentet genomfördes vid en acceleratoranläggning i tyska Darmstadt och leddes av kärnfysiker från Lunds universitet. Den internationella kollaborationen bestod av forskare och tekniker från olika länder, framförallt Tyskland (Darmstadt, Mainz och Köln), men även Finland (Jyväskylä), Spanien (Madrid), Storbritannien (Liverpool) och USA (Berkeley och Livermore). Arbetet vid LU finansierades med hjälp av ett projektbidrag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse samt anslag från Vetenskapsrådet och Kungl. Fysiografiska Sällskapet i Lund.

Kontakt

Anton Såmark-Roth, doktorand i kärnfysik vid Fysiska institutionen, Lunds universitet
anton.samark-roth@nuclear.lu.se
046 222 77 33


Daniel Cox, postdoktor i kärnfysik vid Fysiska institutionen, Lunds universitet
daniel.cox@nuclear.lu.se
046 222 17 07


Dirk Rudolph, professor i kärnfysik vid Fysiska institutionen, Lunds universitet
dirk.rudolph@nuclear.lu.se
046 222 76 33


Claes Fahlander, professor emeritus i kärnfysik vid Fysiska institutionen, Lunds universitet
claes.fahlander@nuclear.lu.se
046 222 03 32

Intresserad av forskning och samhälle?
Prenumerera på Apropå!
I nyhetsbrevet Apropå varvas senaste nytt från Lunds universitet med kommentarer till aktuella samhällshändelser från några av våra 4800 forskare.