Nowy teoretyczny opis procesu wymuszonego uwalniania energii z jądrowych stanów izomerycznych

Naukowcy polscy i amerykańscy opublikowali pracę prezentującą próbę opisu obiecującego procesu pozwalającego na czerpanie „na życzenie” energii zgromadzonej wcześniej w jądrowych stanach izomerycznych. Proces ten został niedawno zaobserwowany eksperymentalnie. Zaprezentowane podejście poprawia wyniki poprzednich analiz teoretycznych.

Niewielka część jąder atomowych może tworzyć wysoko wzbudzone stany metastabilne zwane stanami izomerycznymi. Z punktu widzenia rozwoju nowych form magazynowania i uwalniania energii, szczególnie interesująca jest klasa izomerów charakteryzujących się wysoką energią wzbudzenia i długim czasem rozpadu. W roku 2018 międzynarodowa grupa badaczy (z udziałem naukowców z NCBJ) poinformowała o pierwszej bezpośredniej obserwacji wymuszonego uwolnienia energii z izomeru ^93mMo w wyniku oddziaływania ciężkich jonów z atomami tarczy. Uwolnienie energii zostało przypisane procesowi wzbudzenia jądrowego w wyniku wychwytu elektronu (ang. Nuclear Excitation by Electron Capture, NEEC), czyli odwróconemu w czasie procesowi konwersji wewnętrznej. Co więcej, eksperyment przeprowadzony na liniowym akceleratorze ciężkich jonów ATLAS (Argonne National Laboratory, USA) pokazał zaskakująco duże prawdopodobieństwo procesu NEEC (PNEEC ≈ 0,01). Przeprowadzona w 2019 r. przez naukowców z Heidelbergu analiza teoretyczna eksperymentu NEEC przy użyciu najlepszych dostępnych programów obliczeniowych pokazała znaczącą rozbieżność pomiędzy teorią a wynikiem eksperymentalnym.

W najnowszym numerze wiodącego czasopisma Physical Review Letters (lipiec 2021) naukowcy z Uniwersytetu im Mikołaja Kopernika w Toruniu, Narodowego Laboratorium Armii Stanów Zjednoczonych ARL oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych zaproponowali nowe podejście teoretyczne. „Opisaliśmy proces wymuszonego uwalniania energii z izomeru ^93mMo w warunkach oddziaływania jon-atom z uwzględnieniem profili Comptona elektronów tarczy” – wyjaśnia dr hab. Jacek Rzadkiewicz, profesor NCBJ. „Dotychczasowe podejścia teoretyczne opisujące procesy uwalniania energii z izomerów w warunkach oddziaływania jon-atom bazowały na modelach rekombinacyjnych traktujących elektrony tarczy jako quasi swobodne. Uwzględnienie związania elektronów w atomach tarczy nie tylko pozwoliło na otrzymanie nowych wartości prawdopodobieństw procesu NEEC, ale zmieniło również nasze postrzeganie jego natury z quasi dyskretnej (rezonansowej) na ciągłą w funkcji energii pocisku.”

Nowe podejście teoretyczne, mimo że tylko nieznacznie przesuwa górny limit teoretyczny na całkowite prawdopodobieństwo procesu NEEC dla izomeru ^93mMo (w stosunku do wartości eksperymentalnej), pokazuje istotność uwzględnienia profilu Comptona w opisie teoretycznym, w szczególności dla powłoki L jonu ^93mMo, dla której prawdopodobieństwo uwalniania energii wzrasta o kilka rzędów wielkości w stosunku do wartości uzyskiwanych w modelach rekombinacyjnych.

Planowane są kolejne badania eksperymentalne. W ramach międzynarodowej współpracy w najbliższych tygodniach przeprowadzony zostanie eksperyment na liniowym akceleratorze ciężkich jonów ATLAS, w którym zostanie podjęta próba obserwacji wymuszonego uwalniania energii z izomeru ^127mCs. Tym razem zadanie wydaje się nieco trudniejsze niż w przypadku izomeru ^93mMo, gdyż czas połowicznego zaniku izomeru ^127mCs wynosi zaledwie 55 µs (czas połowicznego zaniku izomeru 93mMo wynosi 6.85 h). Stosunkowo krótki czas życia izomeru ^127mCs implikuje konieczność precyzyjnego zaplanowania i przeprowadzenia eksperymentu oraz zastosowanie zaawansowanych analiz koincydencyjnych pomiędzy odpowiednimi przejściami gamma zasilającymi ten izomer i tymi, które wskazują na jego wymuszony rozpad.

Praca oryginalna:

Novel Approach to ^93mMo Isomer Depletion: Nuclear Excitation by Electron Capture in Resonant Transfer Process
J. Rzadkiewicz, M. Polasik, K. Słabkowska, Ł. Syrocki, J. J. Carroll, and C. J. Chiara
Phys. Rev. Lett. 127, 042501 – Published 21 July 2021