Naučnici iz Nacionalne laboratorije Lorensa Berklija (Laboratorija Berkli) odeljenja za energetiku zaslužni su za otkriće 16 od 118 poznatih elemenata. Sada su završili ključni prvi korak za potencijalno stvaranje još jednog: elementa 120.
Danas je međunarodni tim istraživača na čelu sa Heavi Element Group iz Berkelei Lab-a objavio da su postali poznati superteški element 116 koristeći titanijumski snop, proboj koji je ključna odskočna daska ka pravljenju elementa 120. Rezultat je predstavljen danas na Nuklearnoj strukturi konferencija 2024; naučni rad će biti postavljen na onlajn repozitorijum arKsiv i dostavljen je časopisu Phisical Reviev Letters.
„Ova reakcija nikada ranije nije bila demonstrirana i bilo je neophodno dokazati da je to moguće pre nego što krenemo u naš pokušaj da napravimo 120“, rekao je Džeklin Gejts, nuklearni naučnik u laboratoriji Berkli, koji je vodio napore. „Stvaranje novog elementa je izuzetno redak podvig. Uzbudljivo je biti deo procesa i imati obećavajući put napred.“
Tim je napravio dva atoma elementa 116, livermorijuma, tokom 22 dana rada u laboratorijskom akceleratoru teških jona, 88-inčnom ciklotronu. Pravljenje atoma elementa 120 bilo bi još ređe, ali sudeći po stopi kojom su proizveli 116, to je reakcija koju naučnici razumno mogu tražiti tokom nekoliko godina.
„Trebalo nam je da priroda bude ljubazna, a priroda je bila ljubazna“, rekao je Rajner Kruken, direktor Odseka za nuklearne nauke u laboratoriji Berkli. „Mislimo da će biti potrebno oko 10 puta duže da se napravi 120 nego 116. Nije lako, ali sada izgleda izvodljivo.“
Ako se otkrije, element 120 bi bio najteži stvoreni atom i nalazio bi se u osmom redu periodnog sistema. Pada na obale „ostrva stabilnosti“, teoretizovane grupe superteških elemenata sa jedinstvenim svojstvima.
Dok se do sada otkriveni superteški elementi raspadaju skoro trenutno, prava kombinacija protona i neutrona mogla bi da stvori stabilnije jezgro koje opstaje duže – dajući istraživačima bolju šansu da ga prouče. Istraživanje elemenata u ekstremima može pružiti uvid u to kako se atomi ponašaju, testirati modele nuklearne fizike i mapirati granice atomskih jezgara.
Recept za pravljenje superteških elemenata je u teoriji jednostavan. Razbijate dva lakša elementa koji, u kombinaciji, imaju broj protona koji želite u vašem konačnom atomu. To je osnovna matematika: 1+2=3.
U praksi je, naravno, neverovatno teško. Može proći trilione interakcija pre nego što se dva atoma uspešno spoje, a postoje ograničenja o tome koji elementi se razumno mogu pretvoriti u snop čestica ili metu.
Istraživači biraju specifične izotope, varijante elemenata koji imaju isti broj protona, ali različit broj neutrona, za svoj snop i cilj. Najteža praktična meta je izotop nazvan kalifornijum-249, koji ima 98 protona. (Teža meta, kao što je ona od fermijuma sa 100 protona, raspala bi se prebrzo). To znači da da bi pokušali da naprave element 120, istraživači ne mogu da koriste svoj snop kalcijuma-48 sa njegovih 20 protona. Umesto toga, potreban im je snop atoma sa 22 protona: titanijum, nešto što se obično ne koristi u pravljenju superteških elemenata.
Stručnjaci u 88-inčnom ciklotronu su krenuli da provere da li bi mogli da naprave dovoljno intenzivan snop izotopa titanijum-50 tokom perioda od nekoliko nedelja i da ga koriste da naprave element 116, najteži element ikada napravljen u laboratoriji Berkli.
Do sada su elementi od 114 do 118 ikada bili napravljeni samo sa snopom kalcijuma-48, koji ima posebnu ili „magičnu“ konfiguraciju neutrona i protona koja mu pomaže da se stopi sa ciljnim jezgrom da bi proizveo superteške elemente. Na terenu je bilo otvoreno pitanje da li bi uopšte bilo moguće stvoriti superteške elemente u blizini ostrva stabilnosti koristeći „nemagični“ snop kao što je titanijum-50.
„Bio je važan prvi korak da pokušamo da napravimo nešto malo lakšim od novog elementa da vidimo kako prelazak sa snopa kalcijuma na gredu od titanijuma menja brzinu kojom proizvodimo ove elemente“, rekla je Dženifer Pore, naučnica u Grupa teških elemenata Berkelei Lab-a.
„Kada pokušavamo da napravimo ove neverovatno retke elemente, mi stojimo na apsolutnoj ivici ljudskog znanja i razumevanja, i nema garancije da će fizika raditi onako kako očekujemo. Stvaranje elementa 116 sa titanijumom potvrđuje da je ovaj metod proizvodnja radi i sada možemo da planiramo naš lov na element 120.“
Plan za pravljenje superteških elemenata korišćenjem jedinstvenih postrojenja Berkli laboratorije uključen je u Dugoročni plan za nuklearnu nauku Savetodavnog komiteta za nuklearnu nauku za 2023. godinu.
Stvaranje dovoljno intenzivnog snopa izotopa titanijuma nije lak zadatak. Proces počinje sa posebnim komadom titanijuma-50, retkog izotopa titanijuma koji čini oko 5% ukupnog titanijuma u zemlji. Taj komad metala ide u pećnicu otprilike veličine poslednjeg segmenta vašeg malog prsta. Rerna zagreva metal dok ne počne da isparava, kao gas koji izlazi iz suvog leda, na blizu 3000 stepeni Farenhajta.
Sve ovo se dešava u jonskom izvoru zvanom VENUS, kompleksnom supravodljivom magnetu koji deluje kao boca koja zadržava plazmu. Slobodni elektroni spiralno prolaze kroz plazmu, dobijajući energiju dok ih bombarduju mikrotalasi i odbacuju 12 od 22 elektrona titanijuma. Jednom napunjen, titanijumom se može upravljati magnetima i ubrzavati u 88-inčnom ciklotronu.
„Znali smo da će ovi visokostrujni titanijumski snopovi biti nezgodni jer je titanijum reaktivan sa mnogim gasovima, a to utiče na izvor jona i stabilnost snopa“, rekao je Dejmon Tod, akcelerator fizičar u laboratoriji Berkli i deo tima za izvore jona. „Naša nova induktivna peć može danima drži fiksnu temperaturu, održavajući konstantan izlaz titanijuma i usmeravajući ga pravo na VENUS-inu plazmu kako bi se izbegli problemi sa stabilnošću. Izuzetno smo zadovoljni našom proizvodnjom zraka.“
Svake sekunde oko 6 triliona jona titanijuma pogodi metu (plutonijum da napravi 116, kalifornijum da napravi 120), koji je tanji od komada papira i rotira da rasprši toplotu. Operateri akceleratora podešavaju snop da bi imali pravu količinu energije. Premalo, i izotopi se neće stopiti u težak element. Previše, i titanijum će razbiti jezgra u meti.
Kada se retki superteški element formira, on je odvojen od ostatka čestica pomoću magneta u Berklijevom separatoru ispunjenom gasom (BGS). BGS ga prosleđuje osetljivom silicijumskom detektoru poznatom kao SHREC: detektor Super Heavi RECoil. SHREC može da uhvati energiju, lokaciju i vreme, informacije koje omogućavaju istraživačima da identifikuju teški element dok se raspada na lakše čestice.
„Veoma smo uvereni da vidimo element 116 i njegove ćerke čestice“, rekao je Gejts. „Postoji otprilike 1 u 1 trilion šanse da je to statistički slučaj.“
Još uvek ima posla da se uradi pre nego što istraživači pokušaju da naprave element 120. Stručnjaci u 88-inčnom Ciclotron-u nastavljaju rad na pripremi mašine za metu napravljenu od kalifornijuma-249, a partneri u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž će morati da naprave oko 45 miligrama kalifornijuma u metu.
„Pokazali smo da imamo objekat koji je sposoban da uradi ovaj projekat i da izgleda da ga fizika čini izvodljivim“, rekao je Kruken. „Kada postavimo svoju metu, zaštitu i inženjersku kontrolu, bićemo spremni da preuzmemo ovaj izazovni eksperiment.
Tajming tek treba da se utvrdi, ali bi istraživači potencijalno mogli da počnu sa pokušajem 2025. Kada se to počne, moglo bi proći nekoliko godina da se vidi samo nekoliko atoma elementa 120, ako se uopšte pojavi.
„Želimo da shvatimo granice atoma i granice periodnog sistema“, rekao je Gejts. „Superteški elementi koje do sada poznajemo ne žive dovoljno dugo da bi bili korisni u praktične svrhe, ali ne znamo šta nam donosi budućnost. Možda je to bolje razumevanje kako nukleus funkcioniše, ili je možda nešto više.“
