Un equipo dirigido por físicos nucleares del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha informado de las primeras mediciones directas de los números de masa de los núcleos de dos elementos superpesados:moscovio, que es el elemento 115, y nihonium, elemento 113.

Obtuvieron los resultados usando FIONA, una nueva herramienta en Berkeley Lab que está diseñada para resolver las propiedades nucleares y atómicas de los elementos más pesados. Los resultados se detallan en la edición del 28 de noviembre de la Cartas de revisión física diario.

FIONA es un acrónimo que significa:"Para la identificación del nucleido A, "donde" A "representa el símbolo científico del número de masa de un elemento:el número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Los protones están cargados positivamente y el recuento de protones también se conoce como número atómico; los neutrones tienen una carga neutra. Superpesado Los elementos están hechos por el hombre y tienen un número atómico más alto que los que se encuentran en los elementos naturales.

La fiebre mundial por los números masivos

La recopilación y validación de estos primeros datos de FIONA había sido una de las principales prioridades para la División de Ciencia Nuclear y Ciclotrón de 88 pulgadas del laboratorio desde que la puesta en servicio de FIONA concluyó a principios de 2018. El personal de Cyclotron trabajó con científicos internos y visitantes para realizar la primera ejecución experimental de FIONA, que duró cinco semanas.

"Es muy emocionante ver a FIONA entrar en línea, ya que es extremadamente importante precisar las masas de elementos superpesados, "dijo Barbara Jacak, Director de la División de Ciencias Nucleares. "Hasta ahora, las asignaciones masivas se han realizado con evidencia circunstancial en lugar de por medición directa".

Jackie Gates, un científico del personal de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que desempeñó un papel destacado en la concepción, construcción, y pruebas de FIONA, y quién lidera los esfuerzos de determinación de números masivos de FIONA, dijo, "Ha habido mucho interés en realizar una medición experimental de números de masa superpesados".

Gates agregó que este esfuerzo por medir la masa de elementos superpesados ​​es de interés global, con equipos del Laboratorio Nacional de Argonne y el programa de investigación nuclear de Japón entre los que también realizan mediciones de masa de elementos superpesados ​​utilizando enfoques o herramientas ligeramente diferentes.

Guy Savard, un científico senior en el Laboratorio Nacional de Argonne, diseñado, construido, y contribuyó con varios componentes para FIONA. También colaboró ​​en la puesta en marcha de FIONA y en su primera campaña científica.

Roderick Clark, un científico senior en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, dijo, "Todos se están uniendo en esta gran carrera. Esto puede abrir una amplia gama de física de estas muestras pesadas y superpesadas, "así como nuevos estudios de la estructura y química de estos elementos exóticos, y una comprensión más profunda de cómo se vinculan con otros elementos.

"Si podemos medir la masa de uno de estos elementos superpesados, puedes precisar toda la región, "Dijo Clark.

Un nuevo capítulo en la investigación de elementos pesados

El número de masa y el número atómico (o "Z"), una medida del número total de protones en el núcleo de un átomo, de los elementos superpesados ​​se han basado en la precisión de los modelos de masa nuclear. Por lo tanto, es importante tener una forma confiable de medir estos números con experimentos en caso de que haya un problema con los modelos. señaló Ken Gregorich, un científico senior recientemente retirado de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que trabajó en estrecha colaboración con Gates para construir y poner en marcha FIONA.

Por ejemplo, los elementos superpesados ​​podrían exhibir formas nucleares inesperadas o densidades de protones y neutrones que no se tienen en cuenta en los modelos, él dijo.

Berkeley Lab ha hecho enormes contribuciones al campo de la investigación de elementos pesados:los científicos del laboratorio han jugado un papel en el descubrimiento de 16 elementos en la tabla periódica, que se remonta a la síntesis de neptunio en 1940, y también han proporcionado cientos de identificaciones de isótopos. Los isótopos son diferentes formas de elementos que comparten el mismo número de protones pero tienen un número diferente de neutrones en sus núcleos.

FIONA (ver artículo relacionado) es un complemento del Separador lleno de gas Berkeley (BGS). Por décadas, el BGS ha separado los elementos pesados ​​de otros tipos de partículas cargadas que pueden actuar como "ruido" no deseado en los experimentos. FIONA está diseñado para atrapar y enfriar átomos individuales, separarlos en función de sus propiedades de masa y carga, y envíelos a una estación detectora de bajo ruido en una escala de tiempo de 20 milisegundos, o 20 milésimas de segundo.

'Un átomo al día'

"Podemos hacer un átomo al día, Da o toma, "de un elemento superpesado deseado, Gregorich señaló. En su operación inicial, FIONA se encargó específicamente de atrapar átomos de moscovio individuales. "Tenemos alrededor de un 14 por ciento de posibilidades de atrapar cada átomo, ", agregó. Así que los investigadores esperaban capturar una sola medida del número de masa del moscovio por semana.

Moscovium fue descubierto en 2015 en Rusia por un equipo conjunto de Estados Unidos y Rusia que incluía científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. y el descubrimiento del nihonium se atribuye a un equipo en Japón en 2004. Los nombres de los elementos se aprobaron formalmente en 2016.

Para producir moscovio, Los científicos del Ciclotrón de 88 pulgadas bombardearon un objetivo compuesto de americio, un isótopo de un elemento descubierto por Glenn T. Seaborg y otros de Berkeley Lab en 1944, con un haz de partículas producido a partir del raro isótopo calcio-48. El programa de isótopos del DOE proporcionó el medio gramo necesario de calcio-48.

Hay una firma de bucle distinta para cada átomo atrapado y medido por FIONA, un poco como observar un punto fijo en la llanta de una bicicleta mientras la bicicleta avanza. La trayectoria de este comportamiento en bucle está relacionada con la relación masa-carga atómica:el tiempo y la posición de la señal de energía medida en el detector les dice a los científicos el número de masa.

Idealmente, la medición incluye varios pasos en la cadena de desintegración de la partícula:Moscovium tiene una vida media de aproximadamente 160 milisegundos, lo que significa que un átomo tiene un 50 por ciento de posibilidades de desintegrarse en otro elemento conocido como elemento "hijo" en la cadena de desintegración cada 160 milisegundos. La captura de su firma energética en varios pasos de esta cadena de desintegración puede confirmar qué átomo padre inició esta cascada.

"Hemos estado tratando de establecer el número de masa y el número de protones aquí durante muchos años, "dijo Paul Fallon, un científico senior de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que dirige el programa de baja energía de la división. La sensibilidad del detector ha mejorado constantemente, como tiene la capacidad de aislar átomos individuales de otros ruidos, El lo notó. "Ahora, tenemos nuestras primeras medidas definitivas ".

Confirmación de los números de masa del elemento 113 y del elemento 115

En la primera carrera científica de FIONA, los investigadores identificaron un átomo de moscovio y sus hijas de desintegración relacionadas, y un átomo de nihonium y sus hijas de desintegración. Las medidas de los átomos y las cadenas de desintegración confirman los números de masa predichos para ambos elementos.

Si bien los investigadores habían estado buscando solo crear y medir las propiedades de un átomo de moscovio, también pudieron confirmar una medición de nihonium después de que un átomo de moscovium se descompusiera en nihonium antes de llegar a FIONA.

"El éxito de esta primera medición es increíblemente emocionante, "dijo Jennifer Pore, un becario postdoctoral que participó en los experimentos de puesta en marcha de FIONA. "Las capacidades únicas de FIONA han provocado un nuevo renacimiento de la investigación de elementos superpesados ​​en el ciclotrón de 88 pulgadas".

Gregorich atribuyó el mérito a los esfuerzos del personal del ciclotrón de 88 pulgadas, incluidos los mecánicos, eléctrico, operaciones y expertos en sistemas de control, para maximizar el tiempo experimental de FIONA durante su ejecución científica inicial de cinco semanas.

Destacó las contribuciones particulares de otros miembros del grupo BGS y FIONA, incluido Greg Pang, un ex científico del proyecto que participó en la construcción y prueba de FIONA; Jeff Kwarsick, un estudiante graduado cuyo Ph.D. la tesis se centra en los resultados de FIONA; y Nick Esker, un ex estudiante de posgrado cuyo Ph.D. trabajo centrado en la técnica de separación de masas incorporada por FIONA.

Planes para nuevas medidas y la adición de 'SHEDevil'

Fallon dijo que se planea otra carrera científica para FIONA dentro de los próximos seis meses, durante el cual los investigadores de física nuclear pueden realizar una nueva ronda de mediciones para moscovium y nihonium, o para otros elementos superpesados.

También hay planes para instalar y probar una nueva herramienta, apodado "SHEDevil" (por detector de elementos súper pesados ​​para estadísticas extremas de riesgo bajo) que ayudará a los científicos a aprender la forma de los núcleos de los átomos súper pesados ​​mediante la detección de los rayos gamma producidos en su desintegración. Estos rayos gamma proporcionarán pistas sobre la disposición de neutrones y protones en los núcleos.