Protaktyn (Pa), pierwiastek o liczbie atomowej 91, należy do grupy aktynowców i znany jest ze swojej niestabilności oraz rzadkości. Naturalnie spotykany wyłącznie w śladowych ilościach w rudach uranu, od ponad wieku intryguje badaczy złożoną strukturą swojego jądra i rolą, jaką odgrywa w procesach prowadzących do powstania cięższych pierwiastków, takich jak uran czy pluton. Do tej pory udało się wytworzyć zaledwie kilka jego izotopów, a najnowszy z nich — protaktyn-210 — jest absolutnie wyjątkowy.
Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów i są układami kwantowymi o ogromnej złożoności. Ich właściwości zmieniają się drastycznie w miarę przesuwania się w kierunku skrajnych konfiguracji liczby elementów składowych, tzw. nukleonów. Fizycy od lat starają się wyznaczyć tzw. „granice stabilności”, czyli miejsca, w których dodanie kolejnego protonu lub neutronu sprawia, że jądro przestaje istnieć. Choć teoretyczne modele przewidują istnienie około 7000 możliwych nuklidów, w warunkach laboratoryjnych potwierdzono istnienie mniej niż połowy z nich. Można zatem powiedzieć, że przed chemikami jeszcze dekady odkryć.
Czytaj także: Takiego tlenu jeszcze nigdy nie obserwowaliśmy. Okazał się dziwniejszy niż się spodziewano
Tworzenie nowych izotopów staje się szczególnie trudne w regionach wykresu jądrowego, gdzie liczba neutronów jest bardzo niska. W takich warunkach produkcja nowych jąder zachodzi niezwykle rzadko, a czas życia takich tworów mierzy się w mikrosekundach. To z kolei oznacza, że do ich wykrycia trzeba poradzić sobie z ogromnymi wyzwaniami technologicznymi.
Zespół z Instytutu Fizyki Nowoczesnej (IMP) Chińskiej Akademii Nauk, przy współpracy z kilkoma innymi chińskimi ośrodkami badawczymi, przeprowadził opisywany tu eksperyment w ośrodku China Accelerator Facility for Superheavy Elements (CAFE2). Wiązka jonów wapnia-40 została tam skierowana na cel zbudowany z lutetu-175. W wyniku reakcji fuzji i odparowania powstał nieznany wcześniej izotop protaktynu — Pa-210.
Czytaj także: Nowe odkrycie w fizyce jądrowej. Cyna-100 zachwyca naukowców
Powstanie izotopu to jednak dopiero początek, bowiem potem trzeba go jeszcze wykryć. W tym celu naukowcy wykorzystali separator SHANS2, wypełniony gazem i zaprojektowany specjalnie do wykrywania ciężkich i superciężkich jąder atomowych. Dzięki temu urządzeniu naukowcy byli w stanie zarejestrować 23 zdarzenia rozpadu alfa nowego izotopu, co jest imponującym osiągnięciem.
Właściwości rozpadu protaktynu-210 okazały się zgodne z przewidywaniami dla izotopów leżących w pobliżu granicy, przy której jądro przestaje być w stanie utrzymać dodatkowe protony. To potwierdza zarówno dokładność istniejących modeli teoretycznych, jak i potencjał aparatury używanej w eksperymencie. Trzeba przyznać, że to odkrycie może dodać werwy naukowcom, którzy z pewnością w najbliższym czasie zabiorą się za poszukiwanie jeszcze cięższych i bardziej nietrwałych jąder atomowych.