A los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía se les atribuye el descubrimiento de 16 de los 118 elementos conocidos. Ahora han completado el primer paso crucial para crear potencialmente otro: el elemento 120.
Hoy, un equipo internacional de investigadores dirigido por el Grupo de Elementos Pesados del Laboratorio Berkeley anunció que han creado el conocido elemento superpesado 116 utilizando una viga de titanio, un avance que es un paso importante hacia la creación del elemento 120. Los resultados se presentan hoy en Estructura Nuclear. conferencia de 2024; El artículo científico se publicará en el repositorio en línea arXiv y se enviará a la revista. carta de revisión física.
“Esta reacción nunca se había demostrado antes, y era esencial demostrar que era posible antes de que comenzáramos nuestro esfuerzo por fabricar 120”, dijo Jacqueline Gates, científica nuclear del Laboratorio Berkeley que encabeza el esfuerzo. “Crear un nuevo material es una hazaña extremadamente rara. Es emocionante ser parte del proceso y tener un camino prometedor a seguir”.
El equipo produjo 116, dos átomos del elementolivermorium durante una operación de 22 días en el acelerador de iones pesados del laboratorio, el ciclotrón de 88 pulgadas. Sería aún más raro crear un átomo del elemento 120, pero a juzgar por la velocidad a la que crearon el 116, es una reacción que los científicos podrían explorar razonablemente durante varios años.
“Necesitábamos que la naturaleza fuera amable, y la naturaleza era amable”, afirmó Rainer Kruken, director de la división de ciencia nuclear del Laboratorio Berkeley. “Creemos que tomará aproximadamente 10 veces más tiempo para hacer 116 que 120. No es fácil, pero ahora parece posible”.
Si se descubre, el elemento 120 sería el átomo más pesado jamás creado y se ubicaría en la octava fila de la tabla periódica. Se encuentra a orillas de las “islas de estabilidad”, un grupo teórico de elementos superpesados con propiedades únicas. Si bien los elementos más pesados descubiertos hasta ahora se desintegran casi instantáneamente, la combinación correcta de protones y neutrones puede crear núcleos más estables que viven más tiempo, lo que brinda a los investigadores una mejor oportunidad de estudiarlos. Explorar los extremos de la materia puede proporcionar información sobre cómo se comportan los átomos, probar modelos de física nuclear y trazar límites nucleares.
Hacer cosas súper pesadas
La receta para preparar ingredientes superpesados es sencilla en teoría. Rompes dos elementos más ligeros que se combinan, tu átomo final tiene la cantidad de protones que deseas. Estas son matemáticas básicas: 1+2=3.
En la práctica, por supuesto, esto es increíblemente difícil. Pueden ser necesarios billones de interacciones antes de que dos átomos se fusionen con éxito, y existe un límite en cuanto a los elementos que pueden convertirse razonablemente en un haz de partículas o en un objetivo.
Los investigadores eligen isótopos específicos, formas de elementos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones, para sus haces y objetivos. El objetivo práctico más pesado es un isótopo llamado californio-249, que tiene 98 protones. (Un objetivo pesado, como uno hecho de fermio con 100 protones, se desintegrará muy rápidamente). Esto significa que para intentar crear 120 átomos, los investigadores no pueden utilizar su haz de calcio-48 con 20 protones. En lugar de ello, necesitan un haz de átomos con 22 protones: titanio, algo que normalmente no se utiliza para fabricar materiales superpesados.
Los expertos del ciclotrón de 88 pulgadas se propusieron verificar que podían generar un haz suficientemente intenso del isótopo titanio-50 en unas pocas semanas y utilizarlo para producir el elemento 116, el elemento más pesado jamás fabricado en el Laboratorio de Berkeley.
Hasta ahora, los elementos 114 a 118 sólo se habían creado con un haz de calcio-48, que tiene una configuración especial o “mágica” de neutrones y protones que lo ayudan a fusionarse con el núcleo objetivo para producir el elemento superpesado. Era una cuestión abierta en el campo si sería posible crear elementos superpesados cerca de islas de estabilidad utilizando un rayo “no mágico” como el Titanio-50.
“Pasar de vigas de calcio a vigas de titanio fue un primer paso importante para intentar hacer algo más simple que un nuevo material y ver cómo cambia la velocidad a la que producimos estos materiales”, dijo la científica Jennifer Poore. Grupo de elementos pesados del laboratorio de Berkeley. “Cuando intentamos crear estos elementos increíblemente raros, nos encontramos en el límite mismo del conocimiento y la comprensión humanos, y no hay garantía de que la física funcione de la manera que esperamos. Fabricar el Elemento 116 con titanio valida que esta fabricación El método funciona. Y ahora podemos planificar nuestra búsqueda del Elemento 120.
El plan para utilizar las instalaciones únicas del Laboratorio Berkeley para crear elementos superpesados está incluido en el Plan a Largo Plazo para Ciencias Nucleares 2023 del Comité Asesor de Ciencia Nuclear.
Logros en Ingeniería
Generar un haz de isótopos de titanio suficientemente intenso no es una tarea fácil. El proceso comienza con un trozo especial de titanio-50, un isótopo raro de titanio que constituye aproximadamente el 5% de todo el titanio en el suelo. Esa pieza de metal entra en un horno aproximadamente del tamaño de la punta de tu dedo meñique. El horno calienta el metal hasta que comienza a vaporizarse como un gas de hielo seco a cerca de 3000 grados Fahrenheit.
Todo esto sucede en una fuente de iones llamada Venus, un complejo imán superconductor que actúa como una botella que confina un plasma. Los electrones libres giran en espiral a través del plasma, ganan energía al ser bombardeados por microondas y eliminan 12 de los 22 electrones del titanio. Una vez cargado, el titanio puede magnetizarse y acelerarse en un ciclotrón de 88 pulgadas.
“Sabíamos que estos haces de titanio de alta corriente serían difíciles porque el titanio reacciona con muchos gases y eso afecta la fuente de iones y la estabilidad del haz”, dijo Damon Todd, físico de aceleradores del Laboratorio Berkeley y parte del equipo de la fuente de iones. “Nuestro nuevo horno inductivo puede mantener una determinada temperatura, mantener constante la salida de titanio y apuntar con precisión al plasma de VENUS para evitar problemas de estabilidad. Estamos muy satisfechos con la salida de nuestro haz”.
Cada segundo, alrededor de 6 billones de iones de titanio alcanzan el objetivo (plutonio para formar 116, californio para formar 120), que es más delgado que un trozo de papel y gira para disipar el calor. Los operadores del acelerador ajustan el haz para obtener la cantidad justa de energía. Si son demasiado pocos, los isótopos no se fusionarán para formar un elemento más pesado. Demasiado y el titanio detonará el núcleo del objetivo.
Cuando se forma el raro elemento superpesado, se separa de las partículas restantes mediante imanes en el separador lleno de gas de Berkeley (BGS). BGS lo envía a un detector de silicio sensible conocido como SHREC: Super Heavy Recoil Detector. SHREC puede capturar energía, posición y tiempo, información que permite a los investigadores detectar materia pesada a medida que se descompone en partículas más ligeras.
“Estamos muy seguros de que estamos viendo el elemento 116 y sus partículas hijas”, dijo Gates. “Existe una posibilidad entre 1 billón de que esto sea una casualidad estadística”.
Planifica para 120
Todavía queda trabajo por hacer antes de que los investigadores puedan intentar crear el elemento 120. Los especialistas del ciclotrón de 88 pulgadas continúan trabajando para preparar la máquina para un objetivo hecho de californio-249, y los socios del Laboratorio Nacional de Oak Ridge tendrán que introducir unos 45 miligramos de californio en el objetivo.
“Hemos demostrado que tenemos las instalaciones para poder realizar este proyecto, y la física parece hacerlo factible”, dijo Kruken. “Una vez que tengamos nuestros objetivos, blindajes y controles de ingeniería en su lugar, estaremos listos para afrontar esta desafiante prueba”.
Aún no se ha determinado el momento, pero los investigadores podrían comenzar el esfuerzo en 2025. Una vez iniciado, pueden ser necesarios varios años para ver sólo unos pocos átomos de 120 átomos, en todo caso.
“Queremos descubrir los límites del átomo y los límites de la tabla periódica”, dijo Gates. “Los elementos superpesados que conocemos hasta ahora no viven lo suficiente como para ser útiles con fines prácticos, pero no sabemos qué nos depara el futuro. Tal vez sea una mejor comprensión de cómo funciona el núcleo, o tal vez sea algo más”.
Las colaboraciones para este trabajo incluyen Berkeley Lab, Lund University, Argonne National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, San Jose State University, University of Strasburg, University of Liverpool, Oregon State University, Texas A&M University, UC Berkeley, Oak Ridge National Laboratory, University. de Manchester, ETH Zurich y el Instituto Paul Scherer.