“Nunca se había demostrado antes”: físicos encuentran la ruta hacia el elemento 120, el Santo Grial de la química

A los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) se les atribuye el descubrimiento de 16 de los 118 elementos conocidos. Ahora han completado el primer paso crucial para crear potencialmente otro más: el elemento 120.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Grupo de Elementos Pesados del Laboratorio Berkeley anunció que han descubierto el elemento superpesado 116 utilizando una viga de titanio, un avance que es un paso clave para crear el elemento 120. El resultado se presentó en la conferencia Nuclear Structure 2024 ; el artículo científico se publicará en el repositorio en línea arXiv y se envió a la revista Physical Review Letters.

“Esta reacción nunca se había demostrado antes, y era esencial demostrar que era posible antes de embarcarnos en nuestro intento de crear 120″, dijo Jacklyn Gates, científica nuclear del Laboratorio Berkeley que lidera el proyecto. “La creación de un nuevo elemento es una hazaña extremadamente rara. Es emocionante ser parte del proceso y tener un camino prometedor por delante”.

El equipo fabricó dos átomos del elemento 116, livermorio, durante 22 días de operaciones en el acelerador de iones pesados del laboratorio, el ciclotrón de 88 pulgadas. Fabricar un átomo del elemento 120 sería aún más raro, pero a juzgar por la velocidad a la que produjeron el 116, es una reacción que los científicos pueden buscar razonablemente a lo largo de algunos años.

“Necesitábamos que la naturaleza fuera amable, y la naturaleza lo fue”, dijo Reiner Kruecken, director de la División de Ciencias Nucleares del Laboratorio Berkeley. “Creemos que se necesitará aproximadamente diez veces más tiempo para producir 120 que 116. No es fácil, pero ahora parece factible”.

Si se descubre, el elemento 120 sería el átomo más pesado creado y se ubicaría en la octava fila de la tabla periódica. Se encuentra en las orillas de la “isla de la estabilidad”, un grupo teórico de elementos superpesados con propiedades únicas.

Si bien los elementos superpesados descubiertos hasta ahora se desintegran casi instantáneamente, la combinación correcta de protones y neutrones podría crear un núcleo más estable que sobreviva durante más tiempo, lo que ofrecería a los investigadores una mejor oportunidad de estudiarlo. Explorar los elementos en los extremos puede proporcionar información sobre cómo se comportan los átomos, probar modelos de física nuclear y trazar los límites de los núcleos atómicos.

La receta para crear elementos superpesados es sencilla en teoría. Se combinan dos elementos más ligeros que, combinados, tienen la cantidad de protones que se desea en el átomo final. Es matemática básica: 1+2=3.

En la práctica, por supuesto, es increíblemente difícil. Pueden necesitarse billones de interacciones antes de que dos átomos se fusionen con éxito, y existen limitaciones sobre qué elementos pueden convertirse razonablemente en un haz de partículas o en un objetivo.

Los investigadores seleccionan isótopos específicos, variantes de elementos que tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones, para su haz y objetivo. El objetivo práctico más pesado es un isótopo llamado californio-249, que tiene 98 protones. (Un objetivo más pesado, como uno hecho de fermio con 100 protones, se desintegraría demasiado rápido). Eso significa que para intentar crear el elemento 120, los investigadores no pueden usar su haz habitual de calcio-48 con sus 20 protones. En cambio, necesitan un haz de átomos con 22 protones: titanio, algo que no se ha utilizado comúnmente para crear elementos superpesados.

Los expertos del Ciclotrón de 88 pulgadas se propusieron verificar que podían crear un haz suficientemente intenso del isótopo titanio-50 durante un período de semanas y usarlo para fabricar el elemento 116, el elemento más pesado jamás fabricado en el Laboratorio Berkeley.

Hasta ahora, los elementos 114 a 118 solo se habían creado con un haz de calcio-48, que tiene una configuración especial o “mágica” de neutrones y protones que lo ayuda a fusionarse con los núcleos objetivo para producir elementos superpesados. Había sido una pregunta abierta en el campo si sería posible crear elementos superpesados cerca de la isla de estabilidad utilizando un haz “no mágico” como el titanio-50.

“Fue un primer paso importante intentar hacer algo un poco más fácil que un nuevo elemento para ver cómo el paso de un haz de calcio a un haz de titanio cambia la velocidad a la que producimos estos elementos”, dijo en un comunicado Jennifer Pore, científica del Grupo de Elementos Pesados del Laboratorio Berkeley. “Cuando intentamos crear estos elementos increíblemente raros, nos encontramos en el límite absoluto del conocimiento y la comprensión humanos, y no hay garantía de que la física funcione de la manera que esperamos. Crear el elemento 116 con titanio valida que este método de producción funciona y ahora podemos planificar nuestra búsqueda del elemento 120″.

El plan para fabricar elementos superpesados utilizando las instalaciones únicas de Berkeley Lab está incluido en el Plan a Largo Plazo para la Ciencia Nuclear 2023 del Comité Asesor de Ciencias Nucleares .

Crear un haz de isótopos de titanio lo suficientemente intenso no es una tarea fácil. El proceso comienza con un trozo especial de titanio-50, un isótopo raro del titanio que constituye aproximadamente el 5% de todo el titanio del suelo. Ese trozo de metal se introduce en un horno del tamaño aproximado del último segmento del dedo meñique. El horno calienta el metal hasta que comienza a vaporizarse, como el gas que sale del hielo seco, a casi 3000 grados Fahrenheit.

Todo esto ocurre en una fuente de iones llamada VENUS, un complejo imán superconductor que actúa como una botella que encierra un plasma. Los electrones libres se mueven en espiral a través del plasma, ganando energía al ser bombardeados por microondas y arrancando 12 de los 22 electrones del titanio. Una vez cargado, el titanio puede ser manipulado por imanes y acelerado en el ciclotrón de 88 pulgadas.

“Sabíamos que estos haces de titanio de alta corriente serían complicados porque el titanio es reactivo con muchos gases y eso afecta a la fuente de iones y a la estabilidad del haz”, dijo Damon Todd, físico de aceleradores en Berkeley Lab y parte del equipo de la fuente de iones. “Nuestro nuevo horno inductivo puede mantener una temperatura fija durante días, manteniendo constante la salida de titanio y apuntándola directamente al plasma de VENUS para evitar problemas de estabilidad. Estamos muy satisfechos con nuestra producción de haces”.

Cada segundo, unos 6 billones de iones de titanio impactan en el objetivo (plutonio para formar 116, californio para formar 120), que es más delgado que una hoja de papel y gira para dispersar el calor. Los operadores del acelerador ajustan el haz para que tenga la cantidad justa de energía. Si es muy poca, los isótopos no se fusionarán en un elemento pesado. Si es demasiada, el titanio hará estallar los núcleos del objetivo.

Cuando se forma el raro elemento superpesado, se lo separa del resto de los restos de partículas mediante imanes en el Separador de Gas de Berkeley (BGS). El BGS lo pasa a un detector de silicio sensible conocido como SHREC: el detector Super Heavy RECoil. El SHREC puede capturar energía, ubicación y tiempo, información que permite a los investigadores identificar el elemento pesado a medida que se desintegra en partículas más ligeras.

“Estamos muy seguros de que estamos viendo el elemento 116 y sus partículas hijas”, dijo Gates. “Hay una probabilidad de 1 en 1 billón de que sea una casualidad estadística”.

Aún queda trabajo por hacer antes de que los investigadores intenten fabricar el elemento 120. Los expertos del Ciclotrón de 88 pulgadas continúan trabajando para preparar la máquina para un objetivo hecho de californio-249, y los socios del Laboratorio Nacional de Oak Ridge necesitarán fabricar alrededor de 45 miligramos de californio en el objetivo.

“Hemos demostrado que tenemos una instalación capaz de llevar a cabo este proyecto y que la física parece hacerlo factible”, dijo Kruecken. “Una vez que tengamos nuestro objetivo, el blindaje y los controles de ingeniería en su lugar, estaremos listos para emprender este desafiante experimento”.

El momento aún está por determinar, pero los investigadores podrían potencialmente comenzar el intento en 2025. Una vez iniciado, podrían pasar varios años hasta que se vean solo unos pocos átomos del elemento 120, si es que aparece.

“Queremos averiguar los límites del átomo y los límites de la tabla periódica”, dijo Gates. “Los elementos superpesados que conocemos hasta ahora no viven lo suficiente como para ser útiles a efectos prácticos, pero no sabemos qué nos deparará el futuro. Tal vez sea necesario comprender mejor cómo funciona el núcleo, o tal vez sea algo más”.