Une équipe dirigée par des physiciens nucléaires du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a rapporté les premières mesures directes des nombres de masse pour les noyaux de deux éléments superlourds :le moscovium, qui est l'élément 115, et nihonium, élément 113.

Ils ont obtenu les résultats en utilisant FIONA, un nouvel outil du Berkeley Lab conçu pour résoudre les propriétés nucléaires et atomiques des éléments les plus lourds. Les résultats sont détaillés dans l'édition du 28 novembre du Lettres d'examen physique journal.

FIONA est un acronyme qui signifie :« Pour l'identification du nucléide A, " avec "A" représentant le symbole scientifique du nombre de masse d'un élément - le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau d'un atome. Les protons sont chargés positivement et le nombre de protons est également connu sous le nom de numéro atomique; les neutrons ont une charge neutre. Superlourd les éléments sont fabriqués par l'homme et ont un numéro atomique plus élevé que ceux trouvés dans les éléments naturels.

La ruée mondiale vers les nombres de masse

La collecte et la validation de ces premières données de FIONA étaient une priorité absolue pour la division du cyclotron de 88 pouces et des sciences nucléaires du laboratoire depuis la fin de la mise en service de FIONA au début de 2018. Le personnel du cyclotron a travaillé avec des scientifiques invités et internes pour mener le premier essai expérimental de FIONA, qui a duré cinq semaines.

"C'est très excitant de voir FIONA venir en ligne, car il est extrêmement important de cerner les masses d'éléments superlourds, " a déclaré Barbara Jacak, Directeur de la Division des sciences nucléaires. "Jusqu'à présent, les affectations de masse ont été faites avec des preuves circonstancielles plutôt que par mesure directe."

Jackie Gates, un scientifique de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui a joué un rôle de premier plan dans la conception, construction, et test de FIONA, et qui dirige les efforts de détermination du nombre de masse de FIONA, mentionné, "Il y a eu beaucoup d'intérêt pour faire une mesure expérimentale des nombres de masse superlourde."

Gates a ajouté que cet effort pour mesurer les nombres de masse des éléments superlourds est d'un intérêt mondial, avec des équipes du Laboratoire national d'Argonne et du programme de recherche nucléaire du Japon parmi ceux qui effectuent également des mesures de masse d'éléments superlourds en utilisant des approches ou des outils légèrement différents.

Guy Savard, un scientifique senior au Laboratoire National d'Argonne, conçu, construit, et a contribué à plusieurs composantes pour FIONA. Il a également aidé à la mise en service de FIONA et à sa première campagne scientifique.

Roderick Clark, un scientifique principal de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, mentionné, "Tout le monde se rassemble dans cette grande course. Cela peut ouvrir toute une gamme de physique de ces échantillons lourds et superlourds, " ainsi que de nouvelles études sur la structure et la chimie de ces éléments exotiques, et une compréhension plus profonde de la façon dont ils se lient avec d'autres éléments.

"Si nous pouvons mesurer la masse d'un de ces éléments superlourds, vous pouvez clouer toute la région, " dit Clark.

Un nouveau chapitre dans la recherche sur les éléments lourds

Le nombre de masse et le numéro atomique (ou "Z") - une mesure du nombre total de protons dans le noyau d'un atome - des éléments superlourds se sont appuyés sur la précision des modèles de masse nucléaire. Il est donc important d'avoir un moyen fiable de mesurer ces chiffres avec des expériences au cas où il y aurait un problème avec les modèles, a noté Ken Gregorich, un scientifique senior récemment retraité de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui a travaillé en étroite collaboration avec Gates pour construire et mettre en service FIONA.

Par exemple, les éléments superlourds pourraient éventuellement présenter des formes nucléaires inattendues ou des densités de protons et de neutrons qui ne sont pas prises en compte dans les modèles, il a dit.

Le Berkeley Lab a apporté d'énormes contributions au domaine de la recherche sur les éléments lourds :les scientifiques du laboratoire ont joué un rôle dans la découverte de 16 éléments du tableau périodique, datant de la synthèse du neptunium en 1940, et ont également fourni des centaines d'identifications isotopiques. Les isotopes sont différentes formes d'éléments qui partagent le même nombre de protons mais ont un nombre différent de neutrons dans leur noyau.

FIONA (voir article connexe) est un complément au séparateur à gaz de Berkeley (BGS). Depuis des décennies, le BGS a séparé les éléments lourds des autres types de particules chargées qui peuvent agir comme « bruit » indésirable dans les expériences. FIONA est conçu pour piéger et refroidir les atomes individuels, les séparer en fonction de leurs propriétés de masse et de charge, et les livrer à une station de détection à faible bruit sur une échelle de temps de 20 millisecondes, ou 20 millièmes de seconde.

"Un atome par jour"

"Nous pouvons fabriquer un atome par jour, donner ou prendre, " d'un élément superlourd recherché, Gregorich a noté. Dans sa première exploitation, FIONA a été spécifiquement chargée de piéger des atomes de moscovium individuels. "Nous avons environ 14% de chances de piéger chaque atome, " a-t-il ajouté. Les chercheurs avaient donc espéré capturer une seule mesure du nombre de masse de moscovium par semaine.

Moscovium a été découvert en 2015 en Russie par une équipe conjointe américano-russe qui comprenait des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory, et la découverte du nihonium est attribuée à une équipe au Japon en 2004. Les noms des éléments ont été officiellement approuvés en 2016.

Pour produire du moscovium, les scientifiques du cyclotron de 88 pouces ont bombardé une cible composée d'américium, un isotope d'un élément découvert par Glenn T. Seaborg de Berkeley Lab et d'autres en 1944, avec un faisceau de particules produit à partir de l'isotope rare calcium-48. Le demi-gramme de calcium-48 nécessaire a été fourni par le DOE Isotope Program.

Il y a une signature de boucle distincte pour chaque atome piégé et mesuré par FIONA, un peu comme regarder un point fixe sur un pneu de vélo pendant que le vélo roule vers l'avant. La trajectoire de ce comportement de bouclage est liée au "rapport masse-charge atomique - le moment et la position du signal d'énergie mesuré dans le détecteur indiquent aux scientifiques le nombre de masse.

Idéalement, la mesure comprend plusieurs étapes dans la chaîne de désintégration de la particule :le moscovium a une demi-vie d'environ 160 millisecondes, ce qui signifie qu'un atome a 50 pour cent de chance de se désintégrer en un autre élément connu sous le nom d'élément "fille" dans la chaîne de désintégration toutes les 160 millisecondes. La capture de sa signature énergétique à plusieurs étapes de cette chaîne de désintégration peut confirmer quel atome parent a commencé cette cascade.

"Nous essayons d'établir le nombre de masse et le nombre de protons ici depuis de nombreuses années maintenant, " a déclaré Paul Fallon, un scientifique principal de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab qui dirige le programme de basse énergie de la division. La sensibilité du détecteur s'est régulièrement améliorée, comme a la capacité d'isoler des atomes individuels d'autres bruits, il a noté. "Maintenant, nous avons nos premières mesures définitives."

Confirmation des nombres de masse de l'élément 113 et de l'élément 115

Dans le premier run scientifique de FIONA, les chercheurs ont identifié un atome de moscovium et ses descendants de désintégration associés, et un atome de nihonium et ses descendants de désintégration. Les mesures des atomes et des chaînes de désintégration confirment les nombres de masse prédits pour les deux éléments.

Alors que les chercheurs ne cherchaient qu'à créer et mesurer les propriétés d'un atome de moscovium, ils ont également pu confirmer une mesure du nihonium après qu'un atome de moscovium se soit désintégré en nihonium avant d'atteindre FIONA.

« Le succès de cette première mesure est incroyablement excitant, " a déclaré Jennifer Pore, un stagiaire postdoctoral qui a participé aux expériences de mise en service de la FIONA. "Les capacités uniques de FIONA ont déclenché une nouvelle renaissance de la recherche sur les éléments superlourds au cyclotron de 88 pouces."

Gregorich a attribué les efforts du personnel du cyclotron de 88 pouces, y compris mécanique, électrique, opérations, et des experts en systèmes de contrôle—pour maximiser le temps d'expérimentation de FIONA au cours de son cycle scientifique initial de cinq semaines.

Il a noté les contributions particulières d'autres membres du groupe BGS et FIONA, dont Greg Pang, un ancien scientifique du projet qui a participé à la construction et aux tests de FIONA ; Jeff Kwarsick, un étudiant diplômé dont le doctorat. la thèse est centrée sur les résultats de FIONA; et Nick Esker, un ancien étudiant diplômé dont le doctorat. les travaux ont porté sur la technique du séparateur de masse incorporée par FIONA.

Plans pour de nouvelles mesures et l'ajout de 'SHEDevil'

Fallon a déclaré qu'une autre course scientifique est prévue pour FIONA dans les six prochains mois, au cours de laquelle les chercheurs en physique nucléaire pourront poursuivre une nouvelle série de mesures pour le moscovium et le nihonium, ou pour d'autres éléments superlourds.

Il est également prévu d'installer et de tester un nouvel outil, surnommé "SHEDevil" (pour Super Heavy Element Detector for Extreme Ventures In Low statistics) qui aidera les scientifiques à apprendre la forme des noyaux des atomes superlourds en détectant les rayons gamma produits lors de leur désintégration. Ces rayons gamma fourniront des indices sur la disposition des neutrons et des protons dans les noyaux.