Un nouvel outil du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie affrontera certains des derniers champions des poids lourds du tableau périodique pour voir comment leurs masses sont à la hauteur des prédictions.

Surnommé FIONA, le dispositif est conçu pour mesurer les nombres de masse d'atomes individuels d'éléments superlourds, qui ont des masses plus élevées que l'uranium.

"Une fois que nous avons déterminé ces nombres de masse, nous utiliserons FIONA pour en savoir plus sur la forme et la structure des noyaux lourds, guider la recherche de nouveaux éléments, et pour nous donner de meilleures mesures de la fission nucléaire et des processus connexes dans la recherche en physique nucléaire et en chimie nucléaire, " a déclaré Kenneth Gregorich, un scientifique principal de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui a participé à la construction et aux essais de FIONA.

Le nom complet de FIONA est "Pour l'identification du nucléide A". Le "A" est un symbole scientifique représentant le nombre de masse - la somme des protons, qui sont chargés positivement, et les neutrons, qui n'ont pas de charge électrique — dans le noyau d'un atome. Le nombre de protons, également appelé numéro atomique, est unique pour chaque élément et constitue la base de la disposition des éléments dans le tableau périodique.

FIONA s'appuie sur une longue histoire d'expertise dans les découvertes d'éléments lourds et la recherche en physique nucléaire au Berkeley Lab. Les scientifiques du Lab ont été impliqués dans la découverte de 16 éléments et aussi de diverses formes d'éléments, connu sous le nom d'isotopes, qui ont des nombres de neutrons différents.

Les physiciens nucléaires ont utilisé les masses connues des « atomes filles » de désintégration radioactive comme cadre pour déterminer les masses de ces éléments « parents » plus lourds.

Des expériences antérieures ont également aidé à déterminer les masses de certains des éléments superlourds. Mais déterminer le nombre de masse de certains des éléments les plus lourds est resté hors de portée car il est difficile de produire des atomes isolés et de les mesurer avant qu'ils ne se désintègrent rapidement.

Les mesures de FIONA devraient fournir une meilleure compréhension fondamentale de la composition de ces noyaux atomiques superlourds fabriqués.

"Nous explorerons les limites de la stabilité nucléaire, répondre à des questions de base telles que combien de protons vous pouvez mettre dans un noyau, ", a déclaré Grégorich.

Un Saint Graal dans ce domaine est d'atteindre la soi-disant « île de stabilité, " un domaine encore inexploré dans la carte des noyaux où les isotopes fabriqués par l'homme sont théorisés comme ayant une longue durée de vie.

"Nous allons peut-être sonder le bord de cette" île "-en informant les théories qui prédisent de telles choses afin qu'elles puissent être affinées, ", a déclaré Grégorich.

FIONA a été installé en novembre 2016 au cyclotron de 88 pouces de Berkeley Lab, qui produit des faisceaux de particules intenses pour les expériences de physique nucléaire et pour tester la résistance aux radiations des puces informatiques utilisées dans les satellites, et a depuis subi une série de tests pour le préparer à une première série d'expériences cet été. FIONA est une amélioration d'une machine de longue durée appelée le séparateur à gaz de Berkeley (BGS) qui sépare les atomes d'éléments superlourds des autres types de particules chargées.

"Le travail du séparateur est de séparer les éléments lourds d'intérêt du faisceau et d'autres produits de réaction indésirables, " Gregorich a dit, et FIONA est conçu pour éloigner les atomes souhaités de cet environnement "bruyant" et pour les mesurer rapidement en 10 millièmes de seconde environ.

Ceci est important car les éléments superlourds d'origine humaine découverts jusqu'à présent ont des demi-vies très courtes, dans certains cas, se dégradant en éléments plus légers sur des échelles mesurées en millièmes de seconde.

Les composants FIONA comprennent un nouveau mur de blindage conçu pour réduire le bruit de fond provenant d'autres particules chargées, un mécanisme de piégeage spécialisé pour les atomes, et un réseau de détecteurs sensibles à base de silicium qui peut mesurer l'énergie, position, et le moment de la désintégration des atomes radioactifs.

Plusieurs composants de FIONA ont été construits sous contrat avec le Laboratoire National d'Argonne, et l'analyseur de masse a été conçu et construit au Berkeley Lab.

"Le design de FIONA est pratique, souple, et unique, " a déclaré Gregorich. "Nous examinions différentes manières d'effectuer la séparation de masse, et tout le reste était soit plus cher, soit plus difficile."

Les faisceaux initiaux qui seront produits au cyclotron de 88 pouces pour les premières expériences FIONA utiliseront un isotope de calcium qui est accéléré pour frapper une cible contenant un élément lourd, généralement de l'américium fabriqué par l'homme, qui est plus lourd que le plutonium. Ce bombardement fusionne certains noyaux atomiques pour produire des atomes encore plus lourds.

Jackie Gates, un scientifique au sein de la Division des sciences nucléaires et un chef de l'équipe FIONA, mentionné, « Certains autres appareils ont une résolution de masse beaucoup plus élevée mais une efficacité inférieure – FIONA aura l'efficacité la plus élevée. » Cette efficacité plus élevée signifie que FIONA peut isoler et mesurer plus d'atomes d'un élément superlourd spécifique en un temps donné que des appareils comparables.

Toutefois, la création des atomes les plus lourds jamais découverts est un défi :de toutes les particules se déversant à travers le séparateur, peut-être qu'un sur un quintillion (un suivi de 18 zéros) atteignant l'expérience formera un élément d'intérêt superlourd.

Cela se traduit par la production d'éventuellement un atome d'intérêt par jour, et plusieurs détections seront nécessaires pour déterminer le nombre de masse, dit Gates.

Après séparation dans le séparateur à gaz de Berkeley, les atomes d'intérêt sont piégés, groupé, et refroidi dans un dispositif appelé piège quadripolaire radiofréquence.

Ils sont ensuite envoyés dans le séparateur de masse FIONA, qui contient des champs électriques et magnétiques croisés. Dans le séparateur, les ions empruntent une trajectoire en boucle, les envoyer au détecteur avec des positions déterminées par leur rapport masse/charge. La position dans le détecteur à laquelle la désintégration radioactive des éléments superlourds est détectée donne le nombre de masse.

La mise en service de FIONA devrait s'achever ce printemps, Gates a dit, et l'une des principales expériences du nouveau dispositif sera d'étudier les processus de désintégration associés à l'élément 115, récemment nommé moscovium (son symbole dans le tableau périodique est "Mc").

"Le séparateur rempli de gaz de Berkeley nous a donné 20 ans de science, " Gates a dit, "Et maintenant, nous envisageons de prolonger cette période de 10 à 20 ans avec FIONA."