Un team guidato da fisici nucleari presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha riportato le prime misurazioni dirette dei numeri di massa per i nuclei di due elementi superpesanti:moscovium, che è l'elemento 115, e nihonium, elemento 113.

Hanno ottenuto i risultati utilizzando FIONA, un nuovo strumento del Berkeley Lab progettato per risolvere le proprietà nucleari e atomiche degli elementi più pesanti. I risultati sono dettagliati nell'edizione del 28 novembre del Lettere di revisione fisica rivista.

FIONA è un acronimo che significa:"For the Identification Of Nuclide A, " con "A" che rappresenta il simbolo scientifico per il numero di massa di un elemento, il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo. I protoni sono caricati positivamente e il conteggio dei protoni è anche noto come numero atomico; i neutroni hanno una carica neutra. Superpesante gli elementi sono prodotti dall'uomo e hanno un numero atomico più alto di quelli che si trovano negli elementi naturali.

La corsa globale ai numeri di massa

La raccolta e la convalida di questi primi dati da FIONA era stata una priorità assoluta per la divisione ciclotrone e scienze nucleari da 88 pollici del laboratorio da quando la messa in servizio di FIONA si è conclusa all'inizio del 2018. Il personale del ciclotrone ha lavorato con scienziati interni e in visita per condurre la prima corsa sperimentale di FIONA, che durò cinque settimane.

"È molto emozionante vedere FIONA venire online, poiché è estremamente importante definire le masse degli elementi superpesanti, " ha detto Barbara Jacak, Direttore della Divisione di Scienze Nucleari. "Finora le assegnazioni di massa sono state effettuate con prove circostanziali piuttosto che con misurazioni dirette".

Jackie Gates, uno scienziato del personale della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che ha svolto un ruolo di primo piano nel concepimento, costruzione, e test di FIONA, e chi guida gli sforzi di determinazione del numero di massa di FIONA, disse, "C'è stato molto interesse nel fare una misurazione sperimentale di numeri di massa superpesanti".

Gates ha aggiunto che questo sforzo per misurare i numeri di massa degli elementi superpesanti è di interesse globale, con i team dell'Argonne National Laboratory e del programma di ricerca nucleare giapponese tra quelli che effettuano anche misurazioni di massa di elementi superpesanti utilizzando approcci o strumenti leggermente diversi.

Guy Savard, uno scienziato senior all'Argonne National Laboratory, progettato, costruito, e ha contribuito con diversi componenti per FIONA. Ha anche aiutato nella messa in servizio di FIONA e nella sua prima campagna scientifica.

Roderick Clark, uno scienziato senior della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab, disse, "Tutti si stanno unendo in questa grande gara. Questo può aprire un'intera gamma di fisica di questi campioni pesanti e superpesanti, " così come nuovi studi sulla struttura e la chimica di questi elementi esotici, e una comprensione più profonda di come si legano ad altri elementi.

"Se possiamo misurare la massa di uno di questi elementi superpesanti, puoi inchiodare l'intera regione, " ha detto Clark.

Un nuovo capitolo nella ricerca sugli elementi pesanti

Il numero di massa e il numero atomico (o "Z") - una misura del numero totale di protoni nel nucleo di un atomo - di elementi superpesanti si sono basati sull'accuratezza dei modelli di massa nucleare. Quindi è importante avere un modo affidabile per misurare questi numeri con gli esperimenti nel caso ci sia un problema con i modelli, ha osservato Ken Gregorich, uno scienziato senior recentemente in pensione nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che ha lavorato a stretto contatto con Gates per costruire e commissionare FIONA.

Per esempio, gli elementi superpesanti potrebbero presentare forme nucleari inaspettate o densità di protoni e neutroni che non sono presi in considerazione nei modelli, Egli ha detto.

Il Berkeley Lab ha dato enormi contributi al campo della ricerca sugli elementi pesanti:gli scienziati del laboratorio hanno avuto un ruolo nella scoperta di 16 elementi sulla tavola periodica, risalente alla sintesi del nettunio nel 1940, e hanno anche fornito centinaia di identificazioni di isotopi. Gli isotopi sono diverse forme di elementi che condividono lo stesso numero di protoni ma hanno un diverso numero di neutroni nei loro nuclei.

FIONA (vedi articolo correlato) è un componente aggiuntivo del separatore riempito di gas Berkeley (BGS). Per decenni, il BGS ha separato elementi pesanti da altri tipi di particelle cariche che possono agire come "rumore" indesiderato negli esperimenti. FIONA è progettato per intrappolare e raffreddare singoli atomi, separarli in base alle loro proprietà di massa e carica, e consegnarli a una stazione di rilevamento a basso rumore su una scala temporale di 20 millisecondi, o 20 millesimi di secondo.

"Un atomo al giorno"

"Possiamo fare un atomo al giorno, prendere o lasciare, " di un elemento superpesante desiderato, ha notato Gregorico. Nella sua prima operazione, FIONA aveva il compito specifico di intrappolare singoli atomi di moscovio. "Abbiamo circa il 14% di possibilità di intrappolare ogni atomo, " ha aggiunto. Quindi i ricercatori avevano sperato di catturare una singola misurazione del numero di massa del moscovio a settimana.

Moscovium è stato scoperto nel 2015 in Russia da un team congiunto USA-Russia che includeva scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory, e la scoperta del nihonium è accreditata a un team in Giappone nel 2004. I nomi degli elementi sono stati formalmente approvati nel 2016.

Per produrre moscovio, gli scienziati dell'88-Inch Cyclotron hanno bombardato un bersaglio composto da americio, un isotopo di un elemento scoperto da Glenn T. Seaborg del Berkeley Lab e altri nel 1944, con un fascio di particelle prodotto dal raro isotopo calcio-48. Il mezzo grammo di calcio-48 necessario è stato fornito dal DOE Isotope Program.

C'è una firma ciclica distinta per ogni atomo intrappolato e misurato da FIONA, un po' come guardare un punto fisso su una ruota di bicicletta mentre la bicicletta rotola in avanti. La traiettoria di questo comportamento ad anello è correlata al "rapporto massa-carica" ​​atomico:la tempistica e la posizione del segnale energetico misurato nel rivelatore indicano agli scienziati il ​​numero di massa.

Idealmente, la misurazione include diversi passaggi nella catena di decadimento della particella:Moscovium ha un'emivita di circa 160 millisecondi, il che significa che un atomo ha una probabilità del 50% di decadere in un altro elemento noto come elemento "figlio" nella catena di decadimento ogni 160 millisecondi. Catturare la sua firma energetica in diversi passaggi in questa catena di decadimento può confermare quale atomo genitore ha iniziato questa cascata.

"Abbiamo cercato di stabilire il numero di massa e il numero di protoni qui da molti anni ormai, " ha detto Paul Fallon, uno scienziato senior nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che guida il programma a bassa energia della divisione. La sensibilità del rivelatore è costantemente migliorata, come ha la capacità di isolare i singoli atomi da altri rumori, ha notato. "Ora, abbiamo le nostre prime misurazioni definitive."

Conferma dei numeri di massa dell'elemento 113 e dell'elemento 115

Nella prima corsa scientifica di FIONA, i ricercatori hanno identificato un atomo di moscovio e le sue figlie di decadimento correlate, e un atomo di nihonium e le sue figlie di decadimento. Le misurazioni degli atomi e delle catene di decadimento confermano i numeri di massa previsti per entrambi gli elementi.

Mentre i ricercatori cercavano solo di creare e misurare le proprietà di un atomo di moscovio, sono stati anche in grado di confermare una misurazione per il nihonium dopo che un atomo di moscovium è decaduto in nihonium prima di raggiungere FIONA.

"Il successo di questa prima misurazione è incredibilmente eccitante, " ha detto Jennifer Pore, un borsista post-dottorato che è stato coinvolto negli esperimenti di commissioning di FIONA. "Le capacità uniche di FIONA hanno dato il via a una nuova rinascita della ricerca sugli elementi superpesanti al ciclotrone da 88 pollici".

Gregorich ha accreditato gli sforzi del personale del ciclotrone da 88 pollici, inclusi quelli meccanici, elettrico, operazioni, ed esperti di sistemi di controllo, per massimizzare il tempo sperimentale di FIONA durante la sua corsa scientifica iniziale di cinque settimane.

Ha notato contributi particolari di altri membri del gruppo BGS e FIONA, compreso Greg Pang, un ex scienziato del progetto che è stato coinvolto nella costruzione e nei test di FIONA; Jeff Kwarsick, uno studente laureato il cui dottorato di ricerca la tesi è focalizzata sui risultati di FIONA; e Nick Esker, un ex studente laureato il cui dottorato di ricerca. il lavoro si è concentrato sulla tecnica del separatore di massa incorporata da FIONA.

Piani per nuove misurazioni e aggiunta di 'SHEDevil'

Fallon ha affermato che un'altra corsa scientifica è prevista per FIONA entro i prossimi sei mesi, durante il quale i ricercatori di fisica nucleare possono intraprendere un nuovo ciclo di misurazioni per moscovium e nihonium, o per altri elementi superpesanti.

Ci sono anche piani per installare e testare un nuovo strumento, soprannominato "SHEDevil" (per il rivelatore di elementi super pesanti per le imprese estreme con statistiche basse) che aiuterà gli scienziati a conoscere la forma dei nuclei degli atomi superpesanti rilevando i raggi gamma prodotti nel loro decadimento. Questi raggi gamma forniranno indizi sulla disposizione di neutroni e protoni nei nuclei.