Ett nytt verktyg vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kommer att ta sig an några av det periodiska systemets senaste tungviktsmästare för att se hur deras massor mäter sig med förutsägelser.

Dubbad FIONA, enheten är utformad för att mäta massan av enskilda atomer av supertunga grundämnen, som har högre massa än uran.

"När vi har bestämt de massatalen, vi kommer att använda FIONA för att lära oss om formen och strukturen hos tunga kärnor, vägleda sökandet efter nya element, och att ge oss bättre mätningar för kärnklyvning och relaterade processer inom kärnfysik och kärnkemiforskning, sa Kenneth Gregorich, en senior forskare vid Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning som har varit involverad i att bygga och testa FIONA.

FIONAs fullständiga namn är "För identifiering av nuklid A." "A" är en vetenskaplig symbol som representerar masstalet - summan av protoner, som är positivt laddade, och neutroner, som inte har en elektrisk laddning—i kärnan i en atom. Antalet protoner, även känt som atomnumret, är unik för varje grundämne och ligger till grund för arrangemanget av grundämnen i det periodiska systemet.

FIONA bygger på en lång historia av expertis inom upptäckter av tunga grundämnen och kärnfysikforskning vid Berkeley Lab. Laboratoriets forskare har varit involverade i upptäckten av 16 element och även olika former av element, kända som isotoper, som har olika antal neutroner.

Kärnfysiker har använt de kända massorna av radioaktivt sönderfall "dotteratomer" som ett ramverk för att bestämma massorna för dessa tyngre "förälder"-element.

Tidigare experiment har också hjälpt till att komma in i massorna av några av de supertunga elementen. Men att bestämma massan för några av de tyngsta grundämnena har varit utom räckhåll eftersom det är utmanande att producera isolerade atomer och att mäta dem innan de snabbt sönderfaller.

FIONAs mätningar förväntas ge en bättre grundläggande förståelse för sammansättningen av dessa tillverkade supertunga atomkärnor.

"Vi kommer att utforska gränserna för kärnkraftsstabilitet, svara på grundläggande frågor som hur många protoner du kan lägga i en kärna, sa Gregorich.

En helig gral på detta område är att nå den så kallade "stabilitetens ö, "ett ännu outforskat område i kartan över kärnor där mänskligt skapade isotoper är teoretiserade att vara långlivade.

"Vi kommer kanske att undersöka kanten av denna "ö" - informera teorier som förutsäger sådana saker så att de kan förfinas, sa Gregorich.

FIONA installerades i november 2016 på Berkeley Labs 88-tums cyklotron, som producerar intensiva partikelstrålar för kärnfysikexperiment och för att testa strålningshårdheten hos datorchips för användning i satelliter, och har sedan dess genomgått en rad tester för att förbereda den för en första omgång av experiment i sommar. FIONA är en förbättring av en långvarig maskin som kallas Berkeley Gas-filled Separator (BGS) som separerar atomer av supertunga grundämnen från andra typer av laddade partiklar.

"Separatorns uppgift är att separera de tunga elementen av intresse från strålen och andra oönskade reaktionsprodukter, " Gregorich sa, och FIONA är designad för att flytta de önskade atomerna bort från denna "bullriga" miljö och att snabbt mäta dem inom cirka 10 tusendelar av en sekund.

Detta är viktigt eftersom de människotillverkade supertunga grundämnen som hittills upptäckts har mycket korta halveringstider, i vissa fall sönderfalla ner till lättare grundämnen på skalor mätt i tusendels sekund.

FIONA-komponenter inkluderar en ny skärmvägg som är designad för att minska bakgrundsljud från andra laddade partiklar, en specialiserad fångstmekanism för atomer, och en känslig kiselbaserad detektoruppsättning som kan mäta energin, placera, och tidpunkten för sönderfallet av radioaktiva atomer.

Flera komponenter av FIONA konstruerades under kontrakt med Argonne National Laboratory, och massanalysatorn designades och byggdes på Berkeley Lab.

"Designen för FIONA är praktisk, flexibel, och unik, ", sa Gregorich. "Vi tittade på olika sätt att utföra massseparation, och allt annat var antingen dyrare eller svårare."

De första strålarna som kommer att produceras vid 88-tums cyklotron för de tidiga FIONA-experimenten kommer att använda en isotop av kalcium som accelereras för att träffa ett mål som innehåller ett tungt grundämne - typiskt mänskligt tillverkat americium, som är tyngre än plutonium. Detta bombardemang smälter ihop några av atomkärnorna för att producera ännu tyngre atomer.

Jackie Gates, en stabsforskare vid kärnkraftsavdelningen och ledare för FIONA-teamet, sa, "Vissa andra enheter har en mycket högre massupplösning men en lägre effektivitet – FIONA kommer att ha den högsta effektiviteten." Denna högre effektivitet innebär att FIONA kan isolera och mäta fler atomer av ett specifikt supertungt grundämne under en given tid än jämförbara enheter.

Ändå, skapandet av de tyngsta atomerna som hittills upptäckts är utmanande:av alla partiklar som strömmar genom separatorn, kanske en på en kvintiljon (en följt av 18 nollor) som når experimentet kommer att utgöra ett supertungt inslag av intresse.

Det leder till produktion av möjligen en atom av intresse per dag, och flera upptäckter kommer att behövas för att bestämma massanumret, sa Gates.

Efter separation i Berkeley Gas-filled Separator, atomer av intresse fångas, samlad, och kyls i en anordning känd som en radiofrekvenskvadrupolfälla.

De skickas sedan genom FIONA massseparator, som innehåller korsade elektriska och magnetiska fält. I separatorn, jonerna tar en loopande bana, skickar dem till detektorn med positioner som bestäms av deras massa-till-laddning-förhållande. Den position i detektorn där det supertunga elementets radioaktiva sönderfall detekteras ger masstalet.

FIONAs driftsättning bör avslutas i vår, Gates sa, och ett av huvudexperimenten för den nya enheten kommer att vara att studera sönderfallsprocesser associerade med element 115, nyligen namngiven moscovium (dess periodiska systemsymbol är "Mc").

"Den Berkeley gasfyllda separatorn gav oss 20 år av vetenskap, " sa Gates, "och nu tittar vi på att förlänga detta ytterligare 10 till 20 år med FIONA."