Un nuovo strumento presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia affronterà alcuni degli ultimi campioni dei pesi massimi della tavola periodica per vedere come le loro masse sono all'altezza delle previsioni.

Soprannominato FIONA, il dispositivo è progettato per misurare i numeri di massa dei singoli atomi di elementi superpesanti, che hanno masse maggiori dell'uranio.

"Una volta che abbiamo determinato quei numeri di massa, useremo FIONA per conoscere la forma e la struttura dei nuclei pesanti, guidare la ricerca di nuovi elementi, e per darci misurazioni migliori per la fissione nucleare e i processi correlati nella fisica nucleare e nella ricerca sulla chimica nucleare, " disse Kenneth Gregorich, uno scienziato senior nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che è stato coinvolto nella costruzione e nel test di FIONA.

Il nome completo di FIONA è "For the Identification Of Nuclide A". La "A" è un simbolo scientifico che rappresenta il numero di massa, la somma dei protoni, che sono caricati positivamente, e neutroni, che non hanno carica elettrica, nel nucleo di un atomo. Il conteggio dei protoni, noto anche come numero atomico, è unico per ogni elemento ed è la base per la disposizione degli elementi nella tavola periodica.

FIONA si basa su una lunga storia di esperienza nelle scoperte di elementi pesanti e nella ricerca di fisica nucleare presso il Berkeley Lab. Gli scienziati del Lab sono stati coinvolti nella scoperta di 16 elementi e anche di varie forme di elementi, noti come isotopi, che hanno un diverso numero di neutroni.

I fisici nucleari hanno usato le masse note di "atomi figli" di decadimento radioattivo come struttura per determinare le masse per questi elementi "genitori" più pesanti.

Esperimenti precedenti hanno anche aiutato a individuare le masse di alcuni degli elementi superpesanti. Ma determinare il numero di massa di alcuni degli elementi più pesanti è rimasto fuori portata perché è difficile produrre atomi isolati e misurarli prima che decadano rapidamente.

Ci si aspetta che le misurazioni di FIONA forniscano una migliore comprensione fondamentale della composizione di questi nuclei atomici superpesanti fabbricati.

"Esploreremo i limiti della stabilità nucleare, rispondendo a domande di base come quanti protoni puoi mettere in un nucleo, " disse Gregorio.

Un santo graal in questo campo è raggiungere la cosiddetta "isola della stabilità, "un regno ancora inesplorato nella carta dei nuclei in cui gli isotopi prodotti dall'uomo sono teorizzati per essere longevi.

"Forse esploreremo il confine di questa 'isola', informando le teorie che prevedono tali cose in modo che possano essere perfezionate, " disse Gregorio.

FIONA è stato installato nel novembre 2016 presso l'88-Inch Cyclotron del Berkeley Lab, che produce fasci di particelle intensi per esperimenti di fisica nucleare e per testare la durezza delle radiazioni dei chip per computer da utilizzare nei satelliti, e da allora ha subito una serie di test per prepararlo per un primo ciclo di esperimenti questa estate. FIONA è un miglioramento di una macchina di lunga durata chiamata separatore riempito di gas di Berkeley (BGS) che separa gli atomi di elementi superpesanti da altri tipi di particelle cariche.

"Il compito del separatore è quello di separare gli elementi pesanti di interesse dalla trave e da altri prodotti di reazione indesiderati, "Gregorico ha detto, e FIONA è progettato per allontanare gli atomi desiderati da questo ambiente "rumoroso" e per misurarli rapidamente entro circa 10 millesimi di secondo.

Questo è importante perché gli elementi superpesanti prodotti dall'uomo scoperti finora hanno emivite molto brevi, in alcuni casi decadendo in elementi più leggeri su scale misurate in millesimi di secondo.

I componenti FIONA includono una nuova parete di schermatura progettata per ridurre il rumore di fondo da altre particelle cariche, un meccanismo di intrappolamento specializzato per gli atomi, e un sensibile array di rivelatori a base di silicio in grado di misurare l'energia, posizione, e tempi del decadimento degli atomi radioattivi.

Diversi componenti di FIONA sono stati costruiti sotto contratto con l'Argonne National Laboratory, e l'analizzatore di massa è stato progettato e costruito presso il Berkeley Lab.

"Il design per FIONA è pratico, flessibile, e unico, " ha detto Gregorich. "Stavamo cercando modi diversi per eseguire la separazione di massa, e tutto il resto era o più costoso o più difficile."

I fasci iniziali che saranno prodotti al ciclotrone da 88 pollici per i primi esperimenti FIONA utilizzeranno un isotopo di calcio che viene accelerato per colpire un bersaglio contenente un elemento pesante, tipicamente americio prodotto dall'uomo, che è più pesante del plutonio. Questo bombardamento fonde alcuni dei nuclei atomici per produrre atomi ancora più pesanti.

Jackie Gates, uno scienziato del personale nella divisione di scienze nucleari e un leader del team FIONA, disse, "Alcuni altri dispositivi hanno una risoluzione di massa molto più elevata ma un'efficienza inferiore:FIONA avrà la massima efficienza". Questa maggiore efficienza significa che FIONA può isolare e misurare più atomi di uno specifico elemento superpesante in un dato tempo rispetto a dispositivi comparabili.

Comunque, la creazione degli atomi più pesanti mai scoperti è impegnativa:di tutte le particelle che si riversano attraverso il separatore, forse uno su un quintilione (uno seguito da 18 zeri) raggiungendo l'esperimento formerà un elemento di interesse superpesante.

Ciò si traduce nella produzione di forse un atomo di interesse al giorno, e saranno necessarie diverse rilevazioni per determinare il numero di massa, Gates ha detto.

Dopo la separazione nel separatore riempito di gas di Berkeley, gli atomi di interesse sono intrappolati, ammucchiato, e raffreddato in un dispositivo noto come trappola a quadrupolo a radiofrequenza.

Vengono quindi inviati attraverso il separatore di massa FIONA, che contiene campi elettrici e magnetici incrociati. Nel separatore, gli ioni prendono una traiettoria ad anello, inviandoli al rivelatore con posizioni determinate dal loro rapporto massa-carica. La posizione nel rivelatore in cui viene rilevato il decadimento radioattivo dell'elemento superpesante fornisce il numero di massa.

La messa in servizio di FIONA dovrebbe concludersi questa primavera, Gates ha detto, e uno degli esperimenti principali per il nuovo dispositivo sarà studiare i processi di decadimento associati all'elemento 115, recentemente chiamato moscovium (il suo simbolo della tavola periodica è "Mc").

"Il separatore riempito di gas di Berkeley ci ha regalato 20 anni di scienza, "Gate ha detto, "e ora stiamo cercando di estenderlo di altri 10-20 anni con FIONA."