Una nueva herramienta en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) enfrentará a algunos de los últimos campeones de peso pesado de la tabla periódica para ver cómo sus masas están a la altura de las predicciones.

Apodado FIONA, el dispositivo está diseñado para medir el número de masa de átomos individuales de elementos superpesados, que tienen masas superiores al uranio.

"Una vez que hayamos determinado esos números de masa, Usaremos FIONA para aprender sobre la forma y estructura de los núcleos pesados, guiar la búsqueda de nuevos elementos, y para brindarnos mejores mediciones de la fisión nuclear y los procesos relacionados en la investigación de la física nuclear y la química nuclear, "dijo Kenneth Gregorich, un científico senior en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que ha estado involucrado en la construcción y prueba de FIONA.

El nombre completo de FIONA es "Para la identificación del nucleido A". La "A" es un símbolo científico que representa el número de masa:la suma de protones, que están cargados positivamente, y neutrones, que no tienen carga eléctrica, en el núcleo de un átomo. El recuento de protones también conocido como número atómico, es único para cada elemento y es la base para la disposición de los elementos en la tabla periódica.

FIONA se basa en una larga historia de experiencia en descubrimientos de elementos pesados ​​e investigación de física nuclear en Berkeley Lab. Los científicos del laboratorio han estado involucrados en el descubrimiento de 16 elementos y también en diversas formas de elementos, conocidos como isótopos, que tienen diferentes números de neutrones.

Los físicos nucleares han utilizado las masas conocidas de "átomos hijos" de desintegración radiactiva como marco para determinar las masas de estos elementos "padres" más pesados.

Los experimentos anteriores también han ayudado a identificar las masas de algunos de los elementos superpesados. Pero la determinación del número de masa de algunos de los elementos más pesados ​​ha permanecido fuera de alcance porque es un desafío producir átomos aislados y medirlos antes de que se desintegran rápidamente.

Se espera que las mediciones de FIONA proporcionen una mejor comprensión fundamental de la composición de estos núcleos atómicos superpesados ​​fabricados.

"Exploraremos los límites de la estabilidad nuclear, responder preguntas básicas como cuántos protones se pueden poner en un núcleo, "Dijo Gregorich.

Un santo grial en este campo es llegar a la llamada "isla de estabilidad, "un reino aún inexplorado en la tabla de núcleos donde se teoriza que los isótopos creados por el hombre tienen una larga vida".

"Quizás estemos investigando el borde de esta 'isla', informando teorías que predicen tales cosas para que puedan ser refinadas, "Dijo Gregorich.

FIONA se instaló en noviembre de 2016 en el ciclotrón de 88 pulgadas de Berkeley Lab, que produce haces de partículas intensos para experimentos de física nuclear y para probar la dureza de radiación de chips de computadora para su uso en satélites, y desde entonces se ha sometido a una serie de pruebas para prepararlo para una primera ronda de experimentos este verano. FIONA es una mejora de una máquina de larga duración llamada Separador lleno de gas Berkeley (BGS) que separa átomos de elementos superpesados ​​de otros tipos de partículas cargadas.

"El trabajo del separador es separar los elementos pesados ​​de interés del haz y otros productos de reacción no deseados, "Gregorich dijo, y FIONA está diseñado para alejar los átomos deseados de este entorno "ruidoso" y medirlos rápidamente en aproximadamente 10 milésimas de segundo.

Esto es importante porque los elementos superpesados ​​hechos por humanos descubiertos hasta ahora tienen vidas medias muy cortas, en algunos casos decayendo a elementos más ligeros en escalas medidas en milésimas de segundo.

Los componentes de FIONA incluyen una nueva pared de protección que está diseñada para reducir el ruido de fondo de otras partículas cargadas, un mecanismo de captura especializado para átomos, y una matriz de detectores sensibles a base de silicio que pueden medir la energía, posición, y momento de la desintegración de los átomos radiactivos.

Varios componentes de FIONA se construyeron bajo contrato con el Laboratorio Nacional Argonne, y el analizador de masas fue diseñado y construido en Berkeley Lab.

"El diseño de FIONA es práctico, flexible, y único, ", Dijo Gregorich." Estábamos buscando diferentes formas de realizar la separación masiva, y todo lo demás era más caro o más difícil ".

Los rayos iniciales que se producirán en el ciclotrón de 88 pulgadas para los primeros experimentos de FIONA usarán un isótopo de calcio que se acelera para golpear un objetivo que contiene un elemento pesado, típicamente americio de origen humano. que es más pesado que el plutonio. Este bombardeo fusiona algunos de los núcleos atómicos para producir átomos aún más pesados.

Jackie Gates, un científico de planta en la División de Ciencias Nucleares y un líder del equipo de FIONA, dijo, "Algunos otros dispositivos tienen una resolución de masa mucho mayor pero una menor eficiencia; FIONA tendrá la mayor eficiencia". Esta mayor eficiencia significa que FIONA puede aislar y medir más átomos de un elemento superpesado específico en un tiempo dado que dispositivos comparables.

Aún así, la creación de los átomos más pesados ​​descubiertos hasta ahora es un desafío:de todas las partículas que fluyen a través del separador, quizás uno de cada quintillón (uno seguido de 18 ceros) que llegue al experimento formará un elemento superpesado de interés.

Eso se traduce en la producción de posiblemente un átomo de interés por día, y se necesitarán varias detecciones para determinar el número de masa, Dijo Gates.

Después de la separación en el separador lleno de gas Berkeley, los átomos de interés están atrapados, agrupado y enfriado en un dispositivo conocido como trampa cuadrupolo de radiofrecuencia.

Luego se envían a través del separador de masas FIONA, que contiene campos eléctricos y magnéticos cruzados. En el separador, los iones toman una trayectoria en bucle, enviándolos al detector con posiciones determinadas por su relación masa-carga. La posición en el detector en la que se detecta la desintegración radiactiva del elemento superpesado proporciona el número de masa.

La puesta en servicio de FIONA debería concluir esta primavera, Gates dijo:y uno de los experimentos principales para el nuevo dispositivo será estudiar los procesos de descomposición asociados con el elemento 115, recientemente nombrado moscovio (su símbolo de tabla periódica es "Mc").

"El separador lleno de gas de Berkeley nos brindó 20 años de ciencia, "Gates dijo, "y ahora estamos buscando extender esto otros 10 a 20 años con FIONA".