Uma nova maneira de fazer o elemento 116 abre a porta para átomos mais pesados

Cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia são creditados pela descoberta de 16 dos 118 elementos conhecidos. Agora eles completaram o primeiro passo crucial para potencialmente criar mais um: o elemento 120.

Hoje, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Grupo de Elementos Pesados ​​do Berkeley Lab anunciou que eles tornaram conhecido o elemento superpesado 116 usando um feixe de titânio, um avanço que é um trampolim fundamental para a produção do elemento 120. O resultado foi apresentado hoje na conferência Nuclear Structure 2024; o artigo científico será publicado no repositório online arXiv e foi submetido ao periódico Cartas de revisão física.

“Essa reação nunca havia sido demonstrada antes, e era essencial provar que era possível antes de embarcar em nossa tentativa de fazer 120”, disse Jacklyn Gates, cientista nuclear do Berkeley Lab liderando o esforço. “A criação de um novo elemento é um feito extremamente raro. É emocionante fazer parte do processo e ter um caminho promissor pela frente.”

A equipe fez dois átomos do elemento 116, livermorium, durante 22 dias de operações no acelerador de íons pesados ​​do laboratório, o 88-Inch Cyclotron. Fazer um átomo do elemento 120 seria ainda mais raro, mas, a julgar pela taxa em que eles produziram 116, é uma reação que os cientistas podem razoavelmente procurar ao longo de vários anos.

“Precisávamos que a natureza fosse gentil, e a natureza foi gentil”, disse Reiner Kruecken, diretor da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab. “Achamos que levará cerca de 10 vezes mais tempo para fazer 120 do que 116. Não é fácil, mas parece viável agora.”

Se descoberto, o elemento 120 seria o átomo mais pesado criado e ficaria na oitava linha da tabela periódica. Ele cai nas margens da “ilha da estabilidade”, um grupo teorizado de elementos superpesados ​​com propriedades únicas.

Enquanto os elementos superpesados ​​descobertos até agora se quebram quase instantaneamente, a combinação certa de prótons e nêutrons poderia criar um núcleo mais estável que sobrevive por mais tempo — dando aos pesquisadores uma chance melhor de estudá-lo. Explorar elementos nos extremos pode fornecer insights sobre como os átomos se comportam, testar modelos de física nuclear e mapear os limites dos núcleos atômicos.

Fazendo elementos superpesados

A receita para fazer elementos superpesados ​​é simples na teoria. Você esmaga dois elementos mais leves que, combinados, têm o número de prótons que você quer em seu átomo final. É matemática básica: 1+2=3.

Na prática, é claro, é incrivelmente difícil. Podem ser necessárias trilhões de interações antes que dois átomos se fundam com sucesso, e há limitações sobre quais elementos podem ser razoavelmente transformados em um feixe de partículas ou alvo.

Os pesquisadores selecionam isótopos específicos, variantes de elementos que têm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons, para seu feixe e alvo. O alvo prático mais pesado é um isótopo chamado califórnio-249, que tem 98 prótons. (Um alvo mais pesado, como um feito de férmio com 100 prótons, decairia muito rápido). Isso significa que para tentar fazer o elemento 120, os pesquisadores não podem usar seu feixe de cálcio-48 com seus 20 prótons. Em vez disso, eles precisam de um feixe de átomos com 22 prótons: titânio, algo que não tem sido comumente usado na fabricação de elementos superpesados.

Especialistas do Ciclotron de 88 Polegadas se propuseram a verificar se conseguiriam produzir um feixe suficientemente intenso do isótopo titânio-50 ao longo de um período de semanas e usá-lo para produzir o elemento 116, o elemento mais pesado já produzido no Laboratório Berkeley.

Até agora, os elementos 114 a 118 só tinham sido feitos com um feixe de cálcio-48, que tem uma configuração especial ou “mágica” de nêutrons e prótons que o ajuda a se fundir com os núcleos alvo para produzir elementos superpesados. Era uma questão em aberto no campo se seria possível criar elementos superpesados ​​perto da ilha de estabilidade usando um feixe “não mágico” como o titânio-50.

“Foi um primeiro passo importante tentar fazer algo um pouco mais fácil do que um novo elemento para ver como passar de um feixe de cálcio para um feixe de titânio muda a taxa na qual produzimos esses elementos”, disse Jennifer Pore, cientista do Grupo de Elementos Pesados ​​do Laboratório Berkeley.

“Quando tentamos fazer esses elementos incrivelmente raros, estamos no limite absoluto do conhecimento e da compreensão humana, e não há garantia de que a física funcionará da maneira que esperamos. Criar o elemento 116 com titânio valida que esse método de produção funciona e agora podemos planejar nossa busca pelo elemento 120.”

O plano para produzir elementos superpesados ​​usando as instalações exclusivas do Berkeley Lab está incluído no Plano de Longo Alcance para Ciência Nuclear de 2023 do Comitê Consultivo de Ciência Nuclear.

Feitos da engenharia

Criar um feixe suficientemente intenso de isótopos de titânio não é uma tarefa fácil. O processo começa com um pedaço especial de titânio-50, um isótopo raro de titânio que compõe cerca de 5% de todo o titânio no solo. Esse pedaço de metal vai para um forno aproximadamente do tamanho do segmento final do seu dedo mindinho. O forno aquece o metal até que ele comece a vaporizar, como o gás saindo do gelo seco, a cerca de 3000 graus Fahrenheit.

Tudo isso acontece em uma fonte de íons chamada VENUS, um complexo ímã supercondutor que age como uma garrafa confinando um plasma. Elétrons livres espiralam pelo plasma, ganhando energia à medida que são bombardeados por micro-ondas e eliminando 12 dos 22 elétrons do titânio. Uma vez carregado, o titânio pode ser manobrado por ímãs e acelerado no Ciclotron de 88 Polegadas.

“Sabíamos que esses feixes de titânio de alta corrente seriam complicados porque o titânio é reativo com muitos gases, e isso afeta a fonte de íons e a estabilidade do feixe”, disse Damon Todd, um físico de aceleradores do Berkeley Lab e parte da equipe da fonte de íons. “Nosso novo forno indutivo pode manter uma temperatura fixa por dias, mantendo a saída de titânio constante e mirando-a diretamente no plasma da VENUS para evitar problemas de estabilidade. Estamos extremamente satisfeitos com nossa produção de feixes.”

A cada segundo, cerca de 6 trilhões de íons de titânio atingem o alvo (plutônio para fazer 116, califórnio para fazer 120), que é mais fino que um pedaço de papel e gira para dispersar o calor. Os operadores do acelerador ajustam o feixe para ter a quantidade certa de energia. Muito pouco, e os isótopos não se fundirão em um elemento pesado. Muito, e o titânio explodirá os núcleos no alvo.

Quando o raro elemento superpesado se forma, ele é separado do resto dos detritos de partículas por ímãs no Berkeley Gas-filled Separator (BGS). O BGS o passa para um detector de silício sensível conhecido como SHREC: o detector Super Heavy RECoil. O SHREC pode capturar energia, localização e tempo, informações que permitem aos pesquisadores identificar o elemento pesado à medida que ele decai em partículas mais leves.

“Estamos muito confiantes de que estamos vendo o elemento 116 e suas partículas filhas”, disse Gates. “Há cerca de 1 em 1 trilhão de chances de ser um acaso estatístico.”

Planos para 120

Ainda há trabalho a ser feito antes que os pesquisadores tentem criar o elemento 120. Especialistas do Ciclotron de 88 Polegadas continuam trabalhando para preparar a máquina para um alvo feito de califórnio-249, e parceiros do Laboratório Nacional de Oak Ridge precisarão criar cerca de 45 miligramas de califórnio no alvo.

“Mostramos que temos uma instalação capaz de fazer esse projeto, e que a física parece torná-lo viável”, disse Kruecken. “Assim que tivermos nosso alvo, blindagem e controles de engenharia no lugar, estaremos prontos para assumir esse experimento desafiador.”

O momento ainda não foi determinado, mas os pesquisadores podem começar a tentativa em 2025. Uma vez iniciada, pode levar vários anos para ver apenas alguns átomos do elemento 120, se ele aparecer.

“Queremos descobrir os limites do átomo e os limites da tabela periódica”, disse Gates. “Os elementos superpesados ​​que conhecemos até agora não vivem o suficiente para serem úteis para propósitos práticos, mas não sabemos o que o futuro reserva. Talvez seja uma melhor compreensão de como o núcleo funciona, ou talvez seja algo mais.”

A colaboração para este trabalho inclui pesquisadores do Berkeley Lab, da Universidade de Lund, do Laboratório Nacional Argonne, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Universidade Estadual de San José, da Universidade de Estrasburgo, da Universidade de Liverpool, da Universidade Estadual do Oregon, da Universidade Texas A&M, da UC Berkeley, do Laboratório Nacional Oak Ridge, da Universidade de Manchester, da ETH Zürich e do Instituto Paul Scherrer.