Foto: Index/123
DVOJICA izraelskih fizičara otkrili su novu vrstu fuzijske reakcije koja se temelji na interakcijama među elementarnim česticama kvarkovima, a koja je toliko moćna da su zamalo odustali od objavljivanja svojih rezultata.
No kada su podrobnije istražili ideju, na svoje olakšanje, shvatili su da za sada ne postoji mogućnost praktične primjene nove reakcije u svrhu stvaranja energije niti mogućnost njezine zloupotrebe za stvaranje super-moćne nuklearne bombe.
U novom radu predstavljenom u uglednom znanstvenom časopisu Nature, Marek Karliner i njegov kolega Jonathan L. Rosner sa sveučilišta u Tel Avivu pokazali su da se fuzijom kvarkova može stvoriti značajno veća energija od one koja nastaje fuzijom lakih elemenata poput vodika. No kako kvarkovi ključni za reakciju stvoreni u akceleratorima mogu postojati u kratkom vremenu koje se mjeri pikosekundama prije nego što će se pretvoriti u lakše kvarkove, nemoguće ih je pohraniti u neke spremnike i sačuvati za izradu bombi ili za korištenje u elektranama.
„Moram priznati da sam, kada sam prvi put shvatio da je takva reakcija moguća, bio preplašen“, rekao je Karliner za Live Science.
„Na sreću to je (one-trick pony) proces koji nema mogućnost praktične primjene“, dodao je.
Kako nastaje nuklearna energija?
Za bolje razumijevanje novog otkrića potrebno je razjasniti kako funkcionira fuzija.
Nuklearna energija temelji se na činjenici da se masa može pretvoriti u energiju i obratno što je izraženo Einsteinovom jednadžbom E = mc^2. Ona se također temelji na činjenici da se prerazmještanjem protona i neutrona u stapanju ili cijepanju različitih jezgara atoma, može osloboditi energija koja se naziva energijom nuklearnog vezanja.
Energija nuklearnog vezanja zapravo je ona energija koju bismo morali uložiti da neki stabilan sustav, primjerice jezgru atoma helija, razdvojimo na njezine sastavne dijelove. Stabilne jezgre neće se same raspasti, potrebno je uložiti energiju da se nukleoni, odnosno protoni i neutroni u njima razdvoje.
To možemo izraziti sljedećom formulom:
Energija sastavljenog sustava + energija potrebna da se on razdvoji = zbroj energija razdvojenih sastavnih dijelova.
Ovu istu formulu možemo napisati drugačije ako energiju potrebnu da se sustav razdvoji prebacimo na drugu stranu znaka jednakosti, čime ona dobiva negativan predznak.
Dakle:
Energija sastavljenog sustava = zbroj energija sastavnih dijelova - energija potrebna da se sustav razdvoji.
To pokazuje da su energije sastavljenih objekata, odnosno vezanih sustava, manje od zbroja njihovih sastavnih dijelova. Dakle, kada se neki sastavni dijelovi, protoni, neutroni ili jezgre lakih atoma spoje u neki veći sustav, oslobađa se energija koju smo nazvali energija nuklearnog vezanja (energija potrebna da se sustav razdvoji).
Budući da je masa ekvivalentna energiji (m=E/c^2), ovu istu formulu, uz pomoć Einsteinove jednadžbe, možemo prikazati izraženu u obliku masa na sljedeći način:
Masa vezanog sustava = zbroj masa njegovih sastavnih dijelova – nuklearna energija vezanja/c^2.
Mjerenja atomskih masa atomskih jezgara pokazala su da je masa svake atomske jezgre uistinu uvijek manja od zbroja masa slobodnih nukleona od kojih je sastavljena. Razlika između zbroja masa protona i neutrona s jedne strane i mase atomske jezgre koju oni grade s druge, naziva se defekt mase. Iz Einsteinove jednadžbe o ekvivalentnosti mase i energije E = mc^2, proizlazi da se pri stvaranju nekog sustava, jedan dio mase pretvorio u energiju i to upravo u nuklearnu energiju vezanja koja se oslobodila u obliku zračenja ili kinetičke energije nastalih čestica.
(OPREZ: Ovdje nekoga može zbuniti to što u atomu s velikom energijom vezanja ta energija zapravo ne postoji, to nije sustav s višom energijom, nego s nižom, ona je oslobođena, nju treba dodati da bi se sastavni dijelovi atoma rastavili.)
Fuzija i fisija
Zašto se energija može oslobađati u procesu fuzije kao i u suprotnom procesu fisije?
Energija nuklearnog vezanja po nukleonu različita je u različitim atomima. Ona uz manje iznimke raste od deuterija do jezgara relativne atomske mase oko 60, a zatim kod težih elemenata postupno opada. Zbog toga se nuklearna energija može dobiti fuzijom, odnosno spajanjem najlakših elemenata u teže baš kao i fisijom, odnosno razbijanjem najtežih elemenata na lakše. Ključno je da u fuziji nastaje element čija je ukupna energija vezanja veća od zbroja energija vezanja elemenata koji su ušli u fuziju. Razlika između ove veće energije i zbroja manjih oslobodit će se kao kinetička energija čestica i gama zračenje. U procesu fisije mora se dogoditi raspad elementa čija će energija vezanja biti manja od zbroja energija vezanja elemenata koji će nastati kao rezultat raspada (grafikon dolje). Ako stvari želimo vratiti u početnu fazu, morat ćemo dodati istu energiju.
Na primjer, relativna atomska masa izotopa vodika deuterija (čija se jezgra sastoji od protona i neutrona umjesto samo od protona što je slučaj običnog vodika) iznosi 2,01410 u (pri čemu je u unificirana jedinica atomske mase), i manja je od zbroja masa protona (1,00728 u), neutrona (1,00866 u) i elektrona (0,00055 u) za 0,00238 u. Prema Einsteinovoj jednadžbi unificirana atomska jedinica mase u ekvivalentna je energiji od 931,16 MeV. Iz toga proizlazi da će se prilikom vezivanja sastavnih komponenti u deuterij osloboditi energija jednaka navedenom defektu mase što znači 0,00239 x 931,16 MeV. Ta energija u ovom će se procesu osloboditi u obliku gama zračenja.
Iz grafikona je jasno zašto se u fuzijskim reakcijama mogu stvoriti značajno veće količine energije nego u fisijskim.
Novo otkriće
U novom istraživanju Karliner i Rosner izračunali su kolika bi energija mogla nastati u eventualnom procesu 'fuzije kvarkova'.
Kvarkovi su subatomske čestice i jedna od dviju temeljnih građevnih struktura materije; drugu čine leptoni. Imaju različita svojstva i različite mase, a nazivaju se gornji (u), donji (d), čarobni (c), strani (s), vršni (t) i dubinski (b) Kvarkovi i antikvarkovi jedine su čestice koje međudjeluju preko sve četiri osnovne sile prirode. Mogu se povezivati u grupe od po tri čime nastaju barioni. Jedan od najpoznatijih bariona je proton koji se sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg.
U srpnju 2017. u CERN-u je otkriven prvi dvostruko čarobni barion Xi cc++ koji se sastoji od dva čarobna i jednog gornjeg kvarka. Masa ovog bariona iznosi 3621 MeV, što je mnogo više od mase protona koja iznosi 938 MeV. Energija vezivanja između dva čarobna kvarka u njemu također je velika i iznosi 130 MeV.
Izraelski dvojac u svojem je radu predložio mogućnost fuzijske reakcije dvaju teških bariona Λc u kojoj bi nastali dvostruko čarobni barion Xi cc++ i jedan neutron n. Pritom bi se oslobodila energija od 12 MeV što je slično energiji od 17,6 MeV koja nastaje u fuziji deuterija u helij.
Karliner i Rosner potom su predstavili i svoju kalkulaciju za fuziju još težih bariona Λb u barion Xi bb i jedan neutron s još većom energijom vezanja od oko 280 MeV. U njoj bi se, prema njihovom izračunu, trebala oslobađati golema energija od oko 138 MeV.
Dvojac predlaže da se postavi neki eksperiment u kojem bi se fuzija ovih dvaju bariona s teškim kvarkovima mogla manifestirati.
„Međutim, trenutno kratak život teških dubinskih i čarobnih kvarkova onemogućava svaku praktičnu primjenu ovakvih reakcija“, ističu autori u uvodu rada.