Uma nova ferramenta do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) vai enfrentar alguns dos mais recentes campeões de pesos pesados ​​da tabela periódica para ver como suas massas estão de acordo com as previsões.

Apelidado de FIONA, o dispositivo é projetado para medir o número de massa de átomos individuais de elementos superpesados, que têm massas maiores do que o urânio.

"Uma vez que determinamos esses números de massa, usaremos FIONA para aprender sobre a forma e estrutura de núcleos pesados, guiar a busca por novos elementos, e para nos dar melhores medidas para a fissão nuclear e processos relacionados em física nuclear e pesquisa de química nuclear, "disse Kenneth Gregorich, um cientista sênior da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab que esteve envolvido na construção e teste do FIONA.

O nome completo da FIONA é "For the Identification Of Nuclide A." O "A" é um símbolo científico que representa o número de massa - a soma dos prótons, que são carregados positivamente, e nêutrons, que não têm carga elétrica - no núcleo de um átomo. A contagem de prótons, também conhecido como número atômico, é único para cada elemento e é a base para a organização dos elementos na tabela periódica.

A FIONA se baseia em uma longa história de especialização em descobertas de elementos pesados ​​e pesquisa em física nuclear no Berkeley Lab. Os cientistas do Lab estiveram envolvidos na descoberta de 16 elementos e também de várias formas de elementos, conhecidos como isótopos, que têm diferentes números de nêutrons.

Os físicos nucleares usaram as massas conhecidas de "átomos filhos" de decaimento radioativo como uma estrutura para determinar as massas desses elementos "pais" mais pesados.

Experimentos anteriores também ajudaram a identificar as massas de alguns dos elementos superpesados. Mas determinar o número de massa de alguns dos elementos mais pesados ​​permaneceu fora de alcance porque é um desafio produzir átomos isolados e medi-los antes que eles se deteriorem rapidamente.

Espera-se que as medições da FIONA forneçam um melhor entendimento fundamental da composição desses núcleos atômicos superpesados ​​fabricados.

“Estaremos explorando os limites da estabilidade nuclear, respondendo a perguntas básicas, como quantos prótons você pode colocar em um núcleo, "Gregorich disse.

Um Santo Graal neste campo é chegar à chamada "ilha de estabilidade, "um reino ainda inexplorado no gráfico de núcleos onde os isótopos feitos pelo homem são teorizados para terem vida longa.

"Talvez estejamos sondando os limites desta 'ilha' - informando teorias que predizem tais coisas para que possam ser refinadas, "Gregorich disse.

O FIONA foi instalado em novembro de 2016 no ciclotron de 88 polegadas do Berkeley Lab, que produz feixes de partículas intensas para experimentos de física nuclear e para testar a dureza de radiação de chips de computador para uso em satélites, e desde então passou por uma série de testes para prepará-lo para uma primeira rodada de experimentos neste verão. FIONA é um aprimoramento de uma máquina de longa duração chamada Berkeley Gas -illed Separator (BGS), que separa átomos de elementos superpesados ​​de outros tipos de partículas carregadas.

"O trabalho do separador é separar os elementos pesados ​​de interesse da viga e outros produtos de reação indesejados, "Gregorich disse, e FIONA é projetado para mover os átomos desejados para longe deste ambiente "barulhento" e medi-los rapidamente em cerca de 10 milésimos de segundo.

Isso é importante porque os elementos superpesados ​​de fabricação humana descobertos até agora têm meias-vidas muito curtas, em alguns casos, decaindo para elementos mais leves em escalas medidas em milésimos de segundo.

Os componentes FIONA incluem uma nova parede de proteção projetada para reduzir o ruído de fundo de outras partículas carregadas, um mecanismo de captura especializado para átomos, e uma matriz de detector sensível à base de silício que pode medir a energia, posição, e tempo de decadência dos átomos radioativos.

Vários componentes do FIONA foram construídos sob contrato com o Laboratório Nacional de Argonne, e o analisador de massa foi projetado e construído no Berkeley Lab.

"O design da FIONA é prático, flexível, e único, "Gregorich disse." Estávamos procurando maneiras diferentes de realizar a separação em massa, e todo o resto era mais caro ou mais difícil. "

Os feixes iniciais que serão produzidos no Ciclotron de 88 "para os primeiros experimentos FIONA usarão um isótopo de cálcio que é acelerado para atingir um alvo contendo um elemento pesado - tipicamente amerício feito pelo homem, que é mais pesado que o plutônio. Este bombardeio funde alguns dos núcleos atômicos para produzir átomos ainda mais pesados.

Jackie Gates, um cientista da equipe da Divisão de Ciência Nuclear e um líder da equipe FIONA, disse, "Alguns outros dispositivos têm uma resolução de massa muito maior, mas uma eficiência inferior - FIONA terá a maior eficiência." Esta maior eficiência significa que FIONA pode isolar e medir mais átomos de um elemento superpesado específico em um determinado momento do que dispositivos comparáveis.

Mesmo assim, a criação dos átomos mais pesados ​​já descobertos é um desafio:de todas as partículas que fluem através do separador, talvez um em um quintilhão (um seguido por 18 zeros) que atinge o experimento forme um elemento superpesado de interesse.

Isso se traduz na produção de possivelmente um átomo de interesse por dia, e várias detecções serão necessárias para determinar o número de massa, Disse Gates.

Após a separação no separador de gás de Berkeley, átomos de interesse estão presos, agrupado, e resfriado em um dispositivo conhecido como uma armadilha quadrupolo de radiofrequência.

Eles são então enviados através do separador de massa FIONA, que contém campos elétricos e magnéticos cruzados. No separador, os íons assumem uma trajetória circular, enviando-os para o detector com posições determinadas por sua relação massa-carga. A posição no detector na qual o decaimento radioativo do elemento superpesado é detectado fornece o número de massa.

O comissionamento da FIONA deve terminar nesta primavera, Gates disse, e um dos experimentos principais para o novo dispositivo será estudar os processos de decaimento associados ao elemento 115, recentemente denominado moscovium (seu símbolo da tabela periódica é "Mc").

"O separador de gás de Berkeley nos deu 20 anos de ciência, "Gates disse, "e agora estamos pensando em estender isso por mais 10 a 20 anos com FIONA."