Cili është elementi më i rëndë në univers? A ekzistojnë pafundësisht elemente? Ku dhe si mund të krijohen natyrshëm elementet super të rënda?
Elementi më i rëndë i njohur që ekziston në mënyrë të bollshme është uraniumi, me 92 protone (numri atomik “Z”). Por shkencëtarët kanë arritur të sintetizojnë elemente super të rënda deri tek oganessoni, me një Z prej 118. Para tij janë livermoriumi, me 116 protone, dhe tenesini, që ka 117.
Të gjithë kanë gjysmë-jetë të shkurtër — koha e nevojshme që gjysma e një përmbledhje të atomeve të elementit të shpërbëhet — zakonisht më pak se një sekondë, dhe disa me aq pak sa një mikrosekondë. Krijimi dhe zbulimi i këtyre elementeve nuk është i lehtë dhe kërkon përshpejtues të fuqishëm të grimcave dhe matje të ndërlikuara.
Por mënyra tipike e prodhimit të elementeve me Z të lartë po arrin kufijtë e saj. Për këtë arsye, një grup shkencëtarësh nga Shtetet e Bashkuara dhe Evropa kanë zhvilluar një metodë të re për të prodhuar elemente super të rënda përtej teknikës ekzistuese dominante. Punimi i tyre, i kryer në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley në Kaliforni, u publikua në Physical Review Letters.
“Sot, koncepti i një ‘ishulli stabiliteti’ mbetet një temë intriguese, me pozicionin dhe shtrirjen e tij të saktë në diagramën Segré që vazhdon të jetë një objektiv aktiv kërkimi si në fizikën teorike ashtu edhe në atë eksperimentale të bërthamës,” shkroi J.M. Gates nga LBNL dhe kolegët e tij në studimin e tyre.
“Ishulli i stabilitetit” është një zonë ku elementet super të rënda dhe izotopet e tyre — bërthamat me të njëjtin numër protonesh, por numër të ndryshëm neutronesh — mund të kenë gjysmë-jetë shumë më të gjatë se elementet afër tij. Është pritur që kjo të ndodhë për izotope afër Z=112.
Ndërsa kanë ekzistuar disa teknika për të zbuluar elementet super të rënda dhe për të krijuar izotopet e tyre, njëra ndër më të frytshmet ka qenë goditja e objektivave nga seria e aktinideve të elementeve me një rrymë atomesh kalcium, veçanërisht një izotop i kalciumit, 48-kalcium (48Ca), që ka 20 protone dhe 28 neutrone (48 minus 20). Elementet aktinide kanë numra protonesh nga 89 në 103, dhe 48Ca është i veçantë sepse ka një “numër magjik” si të protoneve ashtu edhe të neutroneve, që do të thotë se numrat e tyre plotësojnë plotësisht shtresat energjetike të disponueshme në bërthamë.
Numri magjik i protoneve dhe/ose neutroneve e bën bërthamën jashtëzakonisht të qëndrueshme; për shembull, 48Ca ka një gjysmë-jetë rreth 60 miliard miliard (6 x 10^19) vjet, shumë më e madhe se mosha e universit. (Në krahasim, 49Ca, me vetëm një neutron më shumë, shpërbëhet për gjysmë-jetën në rreth nëntë minuta.)
Këto reaksione quhen “reaksione të nxehta fuzioni”. Një teknikë tjetër përdorte rreze izotopesh nga 50-titanium deri në 70-zink, të përshpejtuara mbi objektivat e plumbit ose bismutit, të quajtura “reaksione të ftohta fuzioni”. Elementet super të rënda deri tek oganessoni (Z=118) u zbuluan me këto reaksione.
Por koha e nevojshme për të prodhuar elemente të reja super të rënda, e matur me seksionin e ndërprerjes së reaksionit që mat gjasën që ato të ndodhin, po merrte gjithnjë e më shumë kohë, nganjëherë javë të tëra kohe operimi. Duke qenë aq pranë ishullit të parashikuar të stabilitetit, shkencëtarët kanë nevojë për teknika për të shkuar më tej se oganessoni. Objektivat me einsteinium ose fermium, vetë të rënda, nuk mund të prodhohen në sasi të mjaftueshme për të bërë një objektiv të përshtatshëm.
“Është e nevojshme një qasje e re për reaksionet,” shkruajnë Gates dhe ekipi i tij. Dhe kjo është ajo që ata zbuluan.
Modelet teorike të bërthamës kanë parashikuar me sukses normat e prodhimit të elementeve super të rënda nën oganessonin duke përdorur objektiva aktinide dhe rreze izotopesh më të rënda se 48-kalciumi. Këto modele pajtohen gjithashtu se për të prodhuar elemente me Z=119 dhe Z=120, rrezet e 50-titaniumit do të funksionojnë më mirë, me seksionet më të larta të ndërprerjes.
Por jo të gjithë parametrat e nevojshëm janë përcaktuar nga teoricienët, si energjia e nevojshme e rrezeve, dhe disa nga masat e nevojshme për modelet nuk janë matur nga eksperimentuesit. Numrat e saktë janë të rëndësishëm sepse normat e prodhimit të elementeve super të rënda përndryshe mund të ndryshojnë ndjeshëm.
Disa përpjekje eksperimentale për të prodhuar atome me numra protonesh nga 119 deri në 122 tashmë janë kryer. Të gjitha kanë qenë të pasuksesshme, dhe kufijtë që ata përcaktuan për seksionet e ndërprerjes nuk kanë lejuar që modele të ndryshme teorike të bërthamës të kufizohen. Gates dhe ekipi i tij hetuan prodhimin e izotopeve të livermoriumit (Z=116) duke goditur 50-titanium mbi objektiva të 244-Pu (plutonium).
Duke përdorur përshpejtuesin 88-Inch Cyclotron në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley, ekipi prodhoi një rreze që mesatarisht përmbante 6 trilion jone titaniumi për sekondë që dolën nga ciklotroni. Këto goditën objektivin e plutoniumit, i cili kishte një sipërfaqe rrethore prej 12.2 cm, për një periudhë 22-ditore. Pas një sërë matjesh, ata përcaktuan se 290-livermoriumi ishte prodhuar përmes dy zinxhirëve të ndryshëm shpërbërjeje bërthamore.
“Kjo është prodhimi i parë i raportuar i një SHE [element super i rëndë] pranë ishullit të parashikuar të stabilitetit me një rreze tjetër përveç 48-kalciumit,” përfunduan ata. Seksioni i ndërprerjes së reaksionit, ose gjasa e ndërveprimit, u ul, siç ishte pritur me izotope më të rënda të rrezeve, por “suksesi i këtij matjeje vërteton se zbulimet e SHE-ve të reja janë me të vërtetë të arritshme në mënyrë eksperimentale.”
Zbulimi përfaqëson herën e parë që një përplasje e bërthamave jo-magjike ka treguar potencialin për të krijuar atome dhe izotope të tjera super të rënda, duke hapur shpresë për zbulime të reja. Rreth 110 izotope të elementeve super të rënda njihen se ekzistojnë, por priten edhe 50 të tjera që të zbulohen me teknika të reja si kjo.
