Ett team som leds av kärnfysiker vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat de första direkta mätningarna av massnumren för kärnorna i två superhungra element:moscovium, vilket är element 115, och nihonium, element 113.

De fick resultaten med FIONA, ett nytt verktyg på Berkeley Lab som är utformat för att lösa de tyngsta grundämnenas nukleära och atomära egenskaper. Resultaten beskrivs i upplagan av den 28 november Fysiska granskningsbrev tidning.

FIONA är en förkortning som betyder:"För identifiering av nuklid A, "med" A "som representerar den vetenskapliga symbolen för ett grundämnes massantal - det totala antalet protoner och neutroner i en atomkärna. Protoner är positivt laddade och protonräkningen är också känd som atomnumret; neutroner har en neutral laddning. Superheavy grundämnen är konstgjorda och har ett högre atomnummer än de som finns i naturligt förekommande element.

Det globala ruset efter massantal

Att samla in och validera dessa första data från FIONA hade varit högsta prioritet för Labs 88-tums Cyclotron and Nuclear Science Division sedan FIONA:s driftsättning avslutades i början av 2018. Cyclotrons personal arbetade med besökande och interna forskare för att genomföra FIONAs första experimentella körning, som sträckte sig över fem veckor.

"Det är väldigt spännande att se FIONA komma online, eftersom det är oerhört viktigt att klämma fast massorna av supertunga element, "sa Barbara Jacak, Avdelningschef för kärnvetenskap. "Hittills har massuppdragen gjorts med omständighetsbevis snarare än genom direktmätning."

Jackie Gates, en personalvetare vid Berkeley Labs Nuclear Science Division som spelade en ledande roll i uppfattningen, konstruktion, och testning av FIONA, och som leder FIONA:s massantalsbestämningsinsatser, sa, "Det har varit ett stort intresse för att göra en experimentell mätning av superhunga massantal."

Gates tillade att denna strävan att mäta superhalva grundämnenas massantal är av globalt intresse, med team från Argonne National Laboratory och Japans kärnkraftsforskningsprogram bland dem som också gör massmätningar av överjäviga element med lite olika tillvägagångssätt eller verktyg.

Guy Savard, en senior forskare vid Argonne National Laboratory, designad, byggd, och bidrog med flera komponenter för FIONA. Han hjälpte också till vid driftsättningen av FIONA och i dess första vetenskapliga kampanj.

Roderick Clark, en senior forskare vid Berkeley Labs Nuclear Science Division, sa, "Alla kommer samman i det här stora loppet. Detta kan öppna upp en rad olika fysiker av dessa tunga och supertunga prover, "liksom nya studier av strukturen och kemin för dessa exotiska element, och en djupare förståelse för hur de knyter an till andra element.

"Om vi ​​kan mäta massan av ett av dessa supertunga element, du kan spika ner hela regionen, "Sa Clark.

Ett nytt kapitel inom tung elementforskning

Massantalet och atomnumret (eller "Z") - ett mått på det totala antalet protoner i en atomkärna - av superhungra element har förlitat sig på noggrannheten hos kärnmassemodeller. Så det är viktigt att ha ett pålitligt sätt att mäta dessa siffror med experiment om det finns problem med modeller, noterade Ken Gregorich, en nyligen pensionerad senior forskare i Berkeley Labs Nuclear Science Division som arbetade nära Gates för att bygga och beställa FIONA.

Till exempel, supertunga element kan möjligen uppvisa oväntade kärnformar eller densiteter av protoner och neutroner som inte redovisas i modellerna, han sa.

Berkeley Lab har gjort enorma bidrag till området tunga elementforskning:Labforskare har spelat en roll i upptäckten av 16 element i det periodiska bordet, som går tillbaka till syntesen av neptunium 1940, och har också levererat hundratals isotopidentifieringar. Isotoper är olika former av element som delar samma antal protoner men har ett annat antal neutroner i sina kärnor.

FIONA (se relaterad artikel) är ett tillägg till Berkeley gasfyllda separator (BGS). I årtionden, BGS har separerat tunga element från andra typer av laddade partiklar som kan fungera som oönskat "buller" i experiment. FIONA är utformad för att fånga och kyla enskilda atomer, separera dem baserat på deras massa och laddningsegenskaper, och leverera dem till en ljudlös detektorstation i en tidsskala på 20 millisekunder, eller 20 tusendelar av en sekund.

"En atom om dagen"

"Vi kan göra en atom om dagen, ge eller ta, "av ett önskat supertungt element, Gregorich noterade. I sin tidiga verksamhet, FIONA fick specifikt i uppgift att fånga enskilda moskovatomer. "Vi har ungefär 14 procents chans att fånga varje atom, "tillade han. Så forskare hade hoppats fånga en enda mätning av moscoviums massantal per vecka.

Moscovium upptäcktes 2015 i Ryssland av ett gemensamt amerikansk-ryskt team som inkluderade forskare från Lawrence Livermore National Laboratory, och upptäckten av nihonium krediteras ett team i Japan 2004. Elementnamnen godkändes formellt 2016.

För att producera moskovium, forskare vid 88-tums cyklotron bombade ett mål bestående av americium, en isotop av ett element som upptäcktes av Berkeley Labs Glenn T. Seaborg och andra 1944, med en partikelstråle framställd av det sällsynta isotopet kalcium-48. Halv gram kalcium-48 som behövdes tillhandahålls av DOE Isotope Program.

Det finns en distinkt looping -signatur för varje atom som fångas och mäts av FIONA - lite som att titta på en fast punkt på ett cykeldäck när cykeln rullar fram. Banan för detta looping-beteende är relaterad till atomens "massa-till-laddningsförhållande-tidpunkten och positionen för energisignalen mätt i detektorn berättar för forskare massnumret.

Helst, mätningen innehåller flera steg i partikelns förfallskedja:Moscovium har en halveringstid på cirka 160 millisekunder, vilket betyder att en atom har 50 procents chans att förfalla till ett annat element som kallas ett "dotter" -element i förfallskedjan var 160 millisekund. Att fånga sin energisignatur i flera steg i denna sönderfallskedja kan bekräfta vilken förälderatom som började denna kaskad.

"Vi har försökt fastställa massantalet och protonnumret här i många år nu, "sa Paul Fallon, en senior forskare vid Berkeley Labs Nuclear Science Division som leder divisionens lågenergiprogram. Detektorkänsligheten har stadigt förbättrats, som har förmågan att isolera enskilda atomer från annat buller, noterade han. "Nu, vi har våra första slutgiltiga mätningar. "

Bekräftar massnumren för element 113 och element 115

I FIONA:s första vetenskapliga försök, forskare identifierade en moskovatom och dess relaterade sönderfallsdöttrar, och en nihoniumatom och dess förfallna döttrar. Mätningarna av atomerna och sönderfallskedjorna bekräftar de förutsagda massnumren för båda elementen.

Medan forskare bara försökt skapa och mäta egenskaperna hos en moskoviumatom, de kunde också bekräfta en mätning för nihonium efter att en moskoviumatom förfallit till nihonium innan den nådde FIONA.

"Framgången med denna första mätning är otroligt spännande, "sa Jennifer Pore, en postdoktor som deltog i FIONAs idrifttagningsförsök. "FIONAs unika kapacitet har utlöst en ny renässans av superhungrig grundforskning vid 88-tums cyklotron."

Gregorich krediterade personalens ansträngningar vid 88-tums cyklotron-inklusive mekanisk, elektrisk, operationer, och experter på kontrollsystem-för att maximera FIONA-experimentell tid under den första fem veckors vetenskapliga körningen.

Han noterade särskilda bidrag från andra BGS- och FIONA -gruppmedlemmar, inklusive Greg Pang, en tidigare projektforskare som var inblandad i FIONA:s konstruktion och testning; Jeff Kwarsick, en doktorand vars doktorsexamen avhandlingen är inriktad på FIONA -resultat; och Nick Esker, en tidigare doktorand vars doktorsexamen arbete fokuserat på massavskiljartekniken som införlivats av FIONA.

Planer för nya mätningar och tillägg av 'SHEDevil'

Fallon sa att ytterligare en vetenskaplig körning planeras för FIONA inom de närmaste sex månaderna, under vilken kärnfysikforskare kan genomföra en ny mätningsrunda för moskovium och nihonium, eller för andra supertunga element.

Det finns också planer på att installera och testa ett nytt verktyg, kallad "SHEDevil" (för Super Heavy Element Detector for Extreme Ventures In Low statistik) som hjälper forskare att lära sig formen på superheavy atoms kärnor genom att upptäcka gammastrålar som produceras i deras förfall. Dessa gammastrålar kommer att ge ledtrådar till arrangemanget av neutroner och protoner i kärnorna.