Wissenschaftler der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, in Kooperation mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz, haben einen bedeutenden Durchbruch in der Kernphysik erzielt. In ihren aktuellen Experimenten entdeckten sie das Rutherfordium-252 (Rf-252) als den bisher kurzlebigsten bekannten superschweren Kern. Diese Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und als Editor’s suggestion hervorgehoben, was ihre Relevanz unterstreicht. Das Forschungsteam zielt darauf ab, die Grenzen der sogenannten „Insel der Stabilität“ bei superschweren Nukliden zu erkunden, die lange Lebensdauern in Kernen mit bestimmten Protonen-Neutronen-Kombinationen erwarten lässt.
Die theoretischen Vorhersagen aus den 1960er-Jahren deuten darauf hin, dass die Stabilität superschwerer Elemente erhöht wird, wenn ihre Neutronenzahl bestimmte magische Zahlen erreicht. Diese Beobachtungen belegen, dass Halbwertszeiten gefundener Kerne in der Nähe der magischen Zahl von 184 Neutronen zunehmen. Die Entdeckung des Rutherfordium-252 stellt dabei eine Art Küstenlinie dieser Insel dar und bedeutet einen signifikanten Fortschritt in der Erforschung der Nukleosynthese und der Stabilität schwerer Elemente.
Forschungsmethoden und Ergebnisse
Das Team nutzte einen Titan-50-Strahl am UNILAC-Beschleuniger zur Fusion mit Bleikernen. Die Fusionsprodukte wurden im TransActinide Separator and Chemistry Apparatus (TASCA) separiert. In diesem Rahmen konnten sie 27 Rf-252-Atome nachweisen, die eine Halbwertszeit von 13 Mikrosekunden aufwiesen. Außerdem wurde eine Halbwertszeit von 60 Nanosekunden für den Grundzustand von Rf-252 abgeleitet, was die bekannte Lebensdauer schwerster Kerne um fast zwei Größenordnungen senkt. Diese Experimentieransätze eröffnen neue Perspektiven für die Forschung im internationalen Beschleunigerzentrum FAIR in Darmstadt.
Die Bedeutung dieser Entdeckung geht über die bloße Messung von Halbwertszeiten hinaus. Angeregte Zustände (Isomere) des Rutherfordiums könnten langfristiger sein, was den Zugang zu sonst schwer zu erfassenden kurzlebigen Kernen ermöglicht. Zukünftige Experimente sollen weiterführende Messungen isomerer Zustände im Element Seaborgium (Sg, Element 106) umfassen.
Der Kontext superschwerer Elemente
Der Anstieg in der Forschung zu superschweren Elementen ist ein Ergebnis der Bemühungen von Wissenschaftlern, die fundamentalen Eigenschaften dieser Elemente zu entschlüsseln. Physiker produzieren diese Elemente, die mehr als 104 Protonen im Kern haben und nicht natürlich vorkommen, mithilfe von Teilchenbeschleunigern. Die meisten superschweren Elemente zerfallen in Bruchteilen von Sekunden, was ihre Analyse zu einer besonderen Herausforderung macht. Isaac Christoph Düllmann vom Institut für Kernchemie der Universität Mainz ist mit seinem Team aktiv auf der Suche nach langlebigeren Elementen. Vor vier Jahren wurden die Elemente 114 (Flerovium) und 116 (Livermorium) offiziell anerkannt, während der Nachweis des Elements 118 noch aussteht.
Zur Produktion von Elementen wie Flerovium wird ein Target aus neutronenreichen Plutoniumisotopen mit einem Kalziumstrahl bearbeiten. Im Durchschnitt wird pro Tag nur ein Atom von Element 114 erzeugt. Diese Forschungsprojekte sind unerlässlich, um die Halbwertszeiten, Zerfallsarten und die Wahrscheinlichkeit der Synthese superschwerer Elemente zu bestimmen. Ein leistungsfähiges digitales Datenerfassungssystem ermöglicht die Registrierung des Zerfalls und die Analyse der emittierten Elektronen, indem es die Präzision der Ergebnisse verbessert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Untersuchungen und Entdeckungen der GSI, unterstützt durch die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und das Helmholtz-Institut Mainz, die wissenschaftliche Gemeinschaft auf neue Wege der Erforschung superschwerer Elemente führen. Welt der Physik beleuchtet zudem die Herausforderung und die Perspektiven in der Forschung dieser komplexen Materie, in der die Faszination für die Grundlagen der Materie und der Aufbau des Universums im Vordergrund steht.
