ไอโซโทปหนักใหม่ เมนเดเลเวียม-244 และกิจกรรมฟิชชันที่มีอายุสั้นอันน่าฉงนสนเท่ห์

นิวเคลียสที่หนักและหนักยิ่งยวดนั้นไม่เสถียรมากขึ้นเรื่อยๆ ต่อกระบวนการฟิชชัน ซึ่งนิวเคลียสจะแตกออกเป็นสองส่วนที่เบากว่า นี่เป็นเพราะแรงผลักของคูลอมบ์ที่แรงขึ้นเรื่อย ๆ ระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกจำนวนมากในนิวเคลียสดังกล่าว และเป็นหนึ่งในข้อจำกัดหลักสำหรับการมีอยู่ของนิวเคลียสที่มีมวลมากยิ่งยวดที่เสถียร กระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชันถูกค้นพบเมื่อกว่า 80 ปีที่แล้ว และกำลังได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นจนถึงทุกวันนี้ ข้อมูลการทดลองส่วนใหญ่เกี่ยวกับฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นเป็นข้อมูลสำหรับนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเป็นเลขคู่ ซึ่งเรียกว่า "นิวเคลียสเลขคู่เลขคู่" นิวเคลียสคู่-คู่ประกอบด้วยคู่โปรตอนและนิวตรอนทั้งหมด และคุณสมบัติฟิชชันของพวกมันค่อนข้างอธิบายได้ด้วยแบบจำลองทางทฤษฎี ในนิวเคลียสที่มีนิวตรอนหรือโปรตอนเป็นเลขคี่ อุปสรรคของกระบวนการฟิชชันเมื่อเปรียบเทียบกับคุณสมบัติของนิวเคลียสคู่-คู่ได้รับการสังเกตและย้อนไปถึงอิทธิพลขององค์ประกอบเดี่ยวที่ไม่มีคู่ดังกล่าวในนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม การกีดขวางฟิชชันใน "นิวเคลียสคี่-คี่" ที่มีโปรตอนจำนวนคี่และนิวตรอนจำนวนคี่นั้นไม่เป็นที่รู้จักกันดี ข้อมูลการทดลองที่มีอยู่บ่งชี้ว่ากระบวนการฟิชชันที่เกิดขึ้นเองในนิวเคลียสดังกล่าวถูกขัดขวางอย่างมาก ยิ่งกว่าในนิวเคลียสที่มีองค์ประกอบเป็นเลขคี่เพียงชนิดเดียว เมื่อความน่าจะเป็นของฟิชชันลดลงมากที่สุด โหมดการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีอื่นๆ เช่น การสลายตัวแบบแอลฟาหรือการสลายตัวแบบบีตาจะมีความเป็นไปได้ ในการสลายตัวแบบเบตา โปรตอน 1 ตัวจะเปลี่ยนเป็นนิวตรอน (หรือกลับกัน) และนิวเคลียสคี่-คี่จะเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสคู่-คู่ ซึ่งโดยทั่วไปมีโอกาสเกิดฟิชชันสูง ดังนั้น หากสังเกตเห็นกิจกรรมฟิชชันในการทดลองเกี่ยวกับการผลิตนิวเคลียสคี่-คี่ ก็มักจะยากที่จะระบุได้ว่าฟิชชันเกิดขึ้นในนิวเคลียสคี่-คี่ หรือไม่ได้เริ่มจากลูกสาวที่สลายตัวเบต้าแม้แต่น้อย ซึ่งสามารถเกิดฟิชชันที่ล่าช้าเบต้าได้ เมื่อเร็วๆ นี้ Dr. Jadambaa Khuyagbaatar จาก GSI และ HIM คาดการณ์ว่ากระบวนการฟิชชันที่ล่าช้าของเบตานี้อาจมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับนิวเคลียสที่หนักที่สุด และในความเป็นจริงแล้ว ไอโซโทป อาจเป็นหนึ่งในโหมดการสลายตัวหลักของนิวเคลียสที่มีมวลหนักยิ่งยวดที่สลายตัวด้วยเบตา ในนิวเคลียสมวลหนักยิ่งยวด ซึ่งยากมากที่จะผลิตขึ้นจากการทดลอง การสลายตัวของเบตายังไม่ได้รับการสังเกตอย่างแน่ชัด ตัวอย่างเช่น ในกรณีของธาตุที่หนักที่สุดที่ผลิตที่ GSI Darmstadt เทนเนสซีน (ธาตุที่ 117) มีเพียงสองอะตอมของนิวเคลียสคี่-คี่ เทนเนสซีน-294 เท่านั้นที่ถูกสังเกตในการทดลองที่กินเวลานานประมาณหนึ่งเดือน อัตราการผลิตที่น้อยนี้จำกัดการตรวจสอบและการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการฟิชชันที่ชะลอการสลายตัวของเบตา ถึงกระนั้น ข้อมูลการทดลองใหม่เพื่อให้กระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการนี้ได้ดีที่สุดในนิวเคลียสที่แปลกใหม่ เช่นเดียวกับที่มีอัตราส่วนโปรตอนต่อนิวตรอนไม่สมดุลอย่างมาก สำหรับเรื่องนี้ ทีมงานจาก GSI, JGU, HIM และ University of Jyväskylä ได้ผลิตนิวเคลียส mendelevium-244 ที่ยังไม่ทราบมาก่อน ซึ่งเป็นนิวเคลียสคี่-คี่ที่ประกอบด้วยโปรตอน 101 ตัวและนิวตรอน 143 ตัว การประมาณทางทฤษฎีชี้ให้เห็นว่าการสลายตัวแบบบีตาของนิวเคลียสนี้จะตามมาด้วยฟิชชันประมาณหนึ่งในห้ากรณี เนื่องจากการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากของกระบวนการฟิชชัน จึงสามารถตรวจจับได้ด้วยความไวสูง ในขณะที่การสลายตัวของบีตานั้นวัดได้ยากกว่า นักวิจัยใช้ลำแสงไททาเนียม-50 เข้มข้นที่มีอยู่ในเครื่องเร่งอนุภาค UNILAC ของ GSI เพื่อฉายรังสีไปยังเป้าหมายที่เป็นทองคำ ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาของนิวเคลียสของไททาเนียมและทองคำถูกแยกออกจากกันใน Transactinide Separator and Chemistry TASCA ซึ่งนำนิวเคลียสของเมนเดเลเวียมเข้าสู่เครื่องตรวจจับซิลิกอนที่เหมาะสมในการลงทะเบียนการฝังตัวของนิวเคลียสรวมถึงการสลายตัวที่ตามมา ส่วนแรกของการศึกษาที่ดำเนินการในปี 2018 นำไปสู่การสังเกตอะตอมของเมนเดเลเวียม-244 จำนวน 7 อะตอม ในปี 2020 นักวิจัยได้ใช้พลังงานลำแสงไททาเนียม-50 ที่ต่ำกว่า ซึ่งไม่เพียงพอที่จะนำไปสู่การผลิตเมนเดเลเวียม-244 อันที่จริง สัญญาณเช่นสัญญาณที่กำหนดให้กับเมนเดเลเวียม-244 ในการศึกษาปี 2018 ไม่มีอยู่ในส่วนนี้ของชุดข้อมูล ซึ่งยืนยันการกำหนดข้อมูลปี 2018 ที่เหมาะสมและยืนยันการค้นพบไอโซโทปใหม่ นิวเคลียสของอะตอมที่ลงทะเบียนทั้งเจ็ดนั้นผ่านการสลายตัวแบบแอลฟา กล่าวคือ การปล่อยนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ซึ่งนำไปสู่ไอโซโทปลูกสาว ไอน์สไตเนียม-240 ซึ่งค้นพบเมื่อสี่ปีที่แล้วโดยการทดลองก่อนหน้านี้ที่ดำเนินการที่มหาวิทยาลัยยีวาสกีลา ไม่พบการสลายตัวของเบต้า ซึ่งทำให้สามารถกำหนดขีดจำกัดบนของโหมดการสลายนี้ที่ 14 เปอร์เซ็นต์ หากความน่าจะเป็นของฟิชชันที่ 20 เปอร์เซ็นต์ของนิวเคลียสที่สลายตัวด้วยบีตาทั้งหมดถูกต้อง ความน่าจะเป็นทั้งหมดสำหรับฟิชชันที่ล่าช้าของเบต้าจะอยู่ที่ 2.8 เปอร์เซ็นต์สูงสุด และการสังเกตจะทำให้จำเป็นต้องผลิตอะตอมของเมนเดเลเวียม-244 มากกว่าในการทดลองการค้นพบนี้ นอกจากเมนเดเลเวียม-244 ที่สลายตัวแล้ว นักวิจัยยังพบสัญญาณของเหตุการณ์ฟิชชันอายุสั้นที่มีลักษณะที่คาดไม่ถึงเกี่ยวกับจำนวน ความน่าจะเป็นในการผลิต และครึ่งชีวิต ต้นกำเนิดของพวกมันไม่สามารถระบุได้อย่างแน่ชัด และในความเป็นจริงไม่สามารถอธิบายได้อย่างง่ายดายด้วยความรู้ในปัจจุบันเกี่ยวกับการผลิตและการสลายตัวของไอโซโทปในบริเวณของเมนเดเลเวียม-244 สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดการศึกษาติดตามผลเพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีรายละเอียดมากขึ้น ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจกระบวนการฟิชชันในนิวเคลียสคี่-คี่มากขึ้น (บี.พี.)