Uma equipe liderada por físicos nucleares do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) relatou as primeiras medições diretas dos números de massa para os núcleos de dois elementos superpesados:moscovium, que é o elemento 115, e Niônio, elemento 113.

Eles obtiveram os resultados usando FIONA, uma nova ferramenta no Berkeley Lab que foi projetada para resolver as propriedades nucleares e atômicas dos elementos mais pesados. Os resultados estão detalhados na edição de 28 de novembro do Cartas de revisão física Diário.

FIONA é uma sigla que significa:"Para a Identificação do Nuclídeo A, "com" A "representando o símbolo científico para o número de massa de um elemento - o número total de prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. Os prótons são carregados positivamente e a contagem de prótons também é conhecida como o número atômico; os nêutrons têm uma carga neutra. Superpesado elementos são feitos pelo homem e têm um número atômico maior do que aqueles encontrados em elementos que ocorrem naturalmente.

A corrida global por números em massa

Coletar e validar esses primeiros dados da FIONA tinha sido uma prioridade para a Divisão de Ciclotron e Ciência Nuclear de 88 "do Laboratório desde o comissionamento da FIONA encerrado no início de 2018. A equipe do Ciclotron trabalhou com cientistas visitantes e internos para conduzir a primeira execução experimental da FIONA, que durou cinco semanas.

"É muito empolgante ver a FIONA ficar online, pois é extremamente importante identificar as massas de elementos superpesados, "disse Barbara Jacak, Diretor da Divisão de Ciência Nuclear. "Até agora, as atribuições em massa foram feitas com evidências circunstanciais, e não por medição direta."

Jackie Gates, um cientista da equipe da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab que desempenhou um papel importante na concepção, construção, e teste de FIONA, e quem lidera os esforços de determinação do número de massa da FIONA, disse, "Tem havido muito interesse em fazer uma medição experimental de números de massa superpesados."

Gates acrescentou que este esforço para medir o número de massa dos elementos superpesados ​​é de interesse global, com equipes do Laboratório Nacional de Argonne e do programa de pesquisa nuclear do Japão, entre aqueles que também fazem medições de massa de elementos superpesados ​​usando abordagens ou ferramentas ligeiramente diferentes.

Guy Savard, um cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne, projetado, construído, e contribuiu com vários componentes para FIONA. Ele também ajudou no comissionamento da FIONA e em sua primeira campanha científica.

Roderick Clark, um cientista sênior da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, disse, "Todos estão se unindo nesta grande corrida. Isso pode abrir toda uma gama de física dessas amostras pesadas e superpesadas, "bem como novos estudos da estrutura e química desses elementos exóticos, e uma compreensão mais profunda de como eles se relacionam com outros elementos.

"Se pudermos medir a massa de um desses elementos superpesados, você pode pregar em toda a região, "Clark disse.

Um novo capítulo na pesquisa de elementos pesados

O número de massa e o número atômico (ou "Z") - uma medida do número total de prótons no núcleo de um átomo - de elementos superpesados ​​dependem da precisão dos modelos de massa nuclear. Portanto, é importante ter uma maneira confiável de medir esses números com experimentos, caso haja um problema com os modelos, observou Ken Gregorich, um cientista sênior recém-aposentado da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab que trabalhou em estreita colaboração com Gates para construir e comissionar o FIONA.

Por exemplo, elementos superpesados ​​podem exibir formas nucleares inesperadas ou densidades de prótons e nêutrons que não são contabilizados nos modelos, ele disse.

O Berkeley Lab fez enormes contribuições para o campo da pesquisa de elementos pesados:os cientistas do laboratório desempenharam um papel na descoberta de 16 elementos da tabela periódica, datando da síntese do neptúnio em 1940, e também forneceram centenas de identificações de isótopos. Isótopos são diferentes formas de elementos que compartilham o mesmo número de prótons, mas têm um número diferente de nêutrons em seus núcleos.

FIONA (ver artigo relacionado) é um add-on para o separador de gás de Berkeley (BGS). Por décadas, o BGS separou elementos pesados ​​de outros tipos de partículas carregadas que podem atuar como "ruído" indesejado em experimentos. FIONA é projetado para capturar e resfriar átomos individuais, separá-los com base em suas propriedades de massa e carga, e entregá-los a uma estação de detecção de baixo ruído em uma escala de tempo de 20 milissegundos, ou 20 milésimos de segundo.

'Um átomo por dia'

"Podemos fazer um átomo por dia, dar ou pegar, "de um elemento superpesado desejado, Gregorich notou. Em sua operação inicial, FIONA foi especificamente encarregado de capturar átomos de moscovium individuais. "Temos cerca de 14 por cento de chance de capturar cada átomo, ", acrescentou. Portanto, os pesquisadores esperavam capturar uma única medição do número de massa de moscovium por semana.

Moscovium foi descoberto em 2015 na Rússia por uma equipe conjunta EUA-Rússia que incluía cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, e a descoberta do niônio é creditada a uma equipe no Japão em 2004. Os nomes dos elementos foram aprovados formalmente em 2016.

Para produzir moscovio, cientistas do Cyclotron de 88 polegadas bombardearam um alvo composto de amerício, um isótopo de um elemento descoberto por Glenn T. Seaborg do Berkeley Lab e outros em 1944, com um feixe de partículas produzido a partir do raro isótopo cálcio-48. O meio grama necessário de cálcio-48 foi fornecido pelo Programa de Isótopos DOE.

Há uma assinatura de looping distinta para cada átomo capturado e medido pelo FIONA - um pouco como observar um ponto fixo no pneu de uma bicicleta enquanto a bicicleta rola para a frente. A trajetória desse comportamento em loop está relacionada à "relação massa-carga atômica - o tempo e a posição do sinal de energia medido no detector informa aos cientistas o número da massa.

Idealmente, a medição inclui várias etapas na cadeia de decaimento da partícula:Moscovium tem meia-vida de cerca de 160 milissegundos, o que significa que um átomo tem 50 por cento de chance de decair para outro elemento conhecido como elemento "filho" na cadeia de decaimento a cada 160 milissegundos. Capturar sua assinatura de energia em várias etapas desta cadeia de decaimento pode confirmar qual átomo pai iniciou esta cascata.

"Temos tentado estabelecer o número de massa e o número de prótons aqui há muitos anos, "disse Paul Fallon, um cientista sênior da Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley que lidera o programa de baixa energia da divisão. A sensibilidade do detector tem melhorado constantemente, assim como tem a capacidade de isolar átomos individuais de outros ruídos, ele notou. "Agora, temos nossas primeiras medições definitivas. "

Confirmando os números de massa do elemento 113 e elemento 115

Na primeira corrida científica da FIONA, pesquisadores identificaram um átomo de moscovium e suas filhas em decomposição, e um átomo de niônio e suas filhas em decomposição. As medições dos átomos e das cadeias de decaimento confirmam os números de massa previstos para ambos os elementos.

Enquanto os pesquisadores buscavam apenas criar e medir as propriedades de um átomo de moscovium, eles também foram capazes de confirmar uma medição para niônio depois que um átomo de moscovium decaiu em niônio antes de chegar a FIONA.

"O sucesso desta primeira medição é incrivelmente empolgante, "disse Jennifer Pore, um pós-doutorado que esteve envolvido nas experiências de comissionamento da FIONA. "Os recursos exclusivos do FIONA geraram um novo renascimento da pesquisa de elementos superpesados ​​no Ciclotron de 88".

Gregorich creditou os esforços da equipe no Ciclotron de 88 ", incluindo os mecânicos, elétrico, operações, e especialistas em sistemas de controle - para maximizar o tempo experimental da FIONA durante sua execução científica inicial de cinco semanas.

Ele observou contribuições específicas de outros membros do grupo BGS e FIONA, incluindo Greg Pang, um ex-cientista do projeto que esteve envolvido na construção e testes da FIONA; Jeff Kwarsick, um estudante de graduação cujo Ph.D. a tese é focada nos resultados da FIONA; e Nick Esker, um ex-aluno de graduação cujo Ph.D. trabalho focado na técnica de separadores de massa incorporada pela FIONA.

Planos para novas medições e adição de 'SHEDevil'

Fallon disse que outra corrida científica está planejada para FIONA nos próximos seis meses, durante o qual os pesquisadores de física nuclear podem buscar uma nova rodada de medições para moscovium e nihonium, ou para outros elementos superpesados.

Também há planos para instalar e testar uma nova ferramenta, apelidado de "SHEDevil" (de Super Heavy Element Detector para Extreme Ventures In Low statistics), que ajudará os cientistas a aprender a forma dos núcleos dos átomos superpesados, detectando os raios gama produzidos em sua decadência. Esses raios gama fornecerão pistas sobre a disposição dos nêutrons e prótons nos núcleos.