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Man wusste, dass dieser Weg sehr vielversprechend ist, aber die Physiker haben mehrere Jahre Entwicklungsarbeit investiert, um Strahlen ausreichender Intensität für diesen Zweck zu erhalten. Mit diesem Erfolg eröffnet sich somit ein neuer Weg zur Synthese superschwerer Kerne. Ein Weg, der es in Zukunft ermöglichen sollte, neue Kerne jenseits des Oganesson-294 (Z=118), des bisher schwersten von Kernphysikern untersuchten Kerns, zu produzieren. Der nächste Schritt besteht darin, das Element 120 zu synthetisieren.
Obwohl das Element 116 seit etwa zwanzig Jahren bekannt und synthetisiert wurde, haben die beiden Isotope des Livermoriums, die am 27. April und 16. Juni letzten Jahres kurzzeitig am Zyklotron des Berkeley National Laboratory auftauchten, die Gemeinschaft der Kernphysik in Aufregung versetzt. Die beiden Isotope dieses in der Natur nicht vorkommenden superschweren Elements resultierten nämlich aus einer bisher unbekannten Vereinigung: der von Plutonium-244 (Z=94) und Titan-50.
Die Verwendung von Titan-50 bei solchen Laborreaktionen, sogenannten Fusions-Evaporations-Reaktionen, bereitete den Physikern seit vielen Jahren Kopfzerbrechen. Aber die Mühe hat sich gelohnt: Unter den richtigen Bedingungen könnte die Verwendung dieses Isotops und seines Nachbarn, Chrom-54 (Z=24), die Suche nach immer protonenreicheren Kernen vorantreiben und die Fusions-Evaporations-Technik in neue Sphären katapultieren.
Dieses Verfahren, das in der Kernphysik zur Synthese künstlicher superschwerer Kerne eingesetzt wird, erscheint auf den ersten Blick ebenso einfach wie brutal: Man nehme einen schweren Kern (hier Plutonium-244) und beschieße ihn mit leichteren Kernen (hier Titan-50). Mit etwas Glück überwinden einige dieser Geschosse die Abstoßung zwischen den positiven Ladungen der beiden Kerne und verschmelzen mit den schweren Kernen des Targets.
Die praktische Umsetzung der Fusions-Evaporations-Reaktion hat es Wissenschaftlern ermöglicht, im Labor zahlreiche künstliche Elemente jenseits von Uran herzustellen, wodurch unser Verständnis der Kernmechanismen und unser Wissen über diese quantenmechanischen Gebilde vertieft wurden. Aber hier ist das Problem: Die Strahlen von Calcium-48 (Z=20), auf denen dieses Verfahren bisher beruhte, haben ihre Grenze erreicht, als sie die schwersten möglichen Targets aus Californium beschossen.
Tatsächlich war es die Fusion von Californium mit seinen 98 Protonen und Calcium-48, die die Herstellung von Oganesson, des bisher schwersten im Labor produzierten Elements mit 118 Protonen, ermöglichte. Um diese Grenze zu überschreiten, gibt es derzeit nur eine denkbare Lösung: die Verwendung neuer, schwererer Metallstrahlen als Calcium-48, wie Titan-50 oder Chrom-54.
Allerdings ist die Verwendung schwererer Kerne eine Herausforderung. Je mehr Protonen vorhanden sind, desto stärker wird die elektrostatische Barriere, die der Fusion entgegenwirkt, ganz zu schweigen davon, dass die kinetische Energie dieser Kerne höher ist, was den synthetisierten Kern anregt und somit instabiler macht. Die Überlebenschancen für diese Kerne sind daher sehr gering, und es ist schwierig, gleichzeitig die notwendige Energie und Strahlintensität bereitzustellen. Darüber hinaus ist Titan einer der schwierigsten Strahlen, die kontinuierlich mit hoher Intensität produziert werden können.
Um dieses Problem zu umgehen und das Ergebnis von 2024 zu erreichen, wurden zwei Methoden nacheinander aktualisiert und dann von dem von Benoît Gall geleiteten IPHC-Team übernommen, was sich zu einer wahren wissenschaftlichen Odyssee entwickelte. Die Gruppe begann mit der sogenannten MIVOC-Methode (für Metal Ion from Volatile Organic Compounds), bei der die Isotope der Metallionen isoliert und dann mit flüchtigen organischen Verbindungen zu einem stabilen Pulver verbunden werden. Die Dämpfe aus der Sublimation dieses Pulvers speisen dann die Ionenquelle, um die Strahlen zu erzeugen.
Mit dieser Methode ermöglichte Zouhair Asfari, Chemiker am IPHC, insbesondere die Erzeugung eines Titan-50-Strahls ausreichender Intensität, um 2011 mehr als 2000 Kerne von Rutherfordium-256 (Z=104) zu produzieren. Dieselbe Methode wurde einige Jahre später auf Chrom-54 angewendet, um die Spaltung des Elements 120 in Dubna, Russland, zu untersuchen. "Unter diesen experimentellen Bedingungen", erklärt Benoît Gall, "hatte es kaum eine Überlebenschance. Es spaltete sich fast sofort, aber die Manipulation ermöglichte es uns, mehr über diesen Prozess zu lernen".
Bei höherer Intensität sättigen die mit den MIVOC-Verbindungen verbundenen Dämpfe die Quelle. Deshalb wandte sich das IPHC-Team in einem zweiten Schritt einer alternativen Methode zu, der direkten Verdampfung von Metallen mit Hilfe von Mikro-Induktionsöfen. Diese Technik hat den Vorteil, reine Metalldämpfe zu erzeugen, was die von den Quellen produzierte Intensität und somit die Anzahl der Fusionsreaktionen auf dem Target erhöht. Während jedoch 400°C ausreichen, um Calcium zu verdampfen, sind 1660°C erforderlich, um mit dieser Methode einen Titanstrahl zu erzeugen, was die Entwicklung angepasster und leistungsstärkerer Öfen erfordert.
Hinterer Teil des Separators des Berkeley National Laboratory mit dem Detektionssystem am Fokalebene. In dieser Infrastruktur wurden die Livermoriumkerne aus Titan-50-Strahlen synthetisiert.
Die Straßburger Wissenschaftler haben sich daher in ein Projekt für Mikro-Induktionsöfen zur Untersuchung superschwerer Kerne mit dem Spektrometer S3 am GANIL sowie für ihr Programm zur Synthese superschwerer Elemente eingebracht. Sie konnten 2019 in Dubna die Fähigkeit ihres Ofens zur Verdampfung von Chrom und Titan nachweisen, ein Projekt, das seitdem unter den Folgen des internationalen Kontexts gelitten hat.
Im Jahr 2020 schloss sich die Gruppe den Bemühungen der Kollegen in Berkeley an, die ebenfalls einen Induktionsofen entwickeln, und brachte ihre Expertise ein. Im Rahmen dieser fruchtbaren Zusammenarbeit belohnt die Synthese von Livermorium am Zyklotron in Berkeley die langjährigen Bemühungen des Teams.
"Dieses Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Synthese neuer Elemente, da es nicht nur einen Beweis für die Machbarkeit der Synthese des Elements 120 mit einem Titan-50-Strahl liefert, sondern auch eine Schätzung der Zeit, die wir benötigen werden, um es zu produzieren!", freut sich Benoît Gall. Das Experiment kann gestartet werden, sobald die Versuchsanlage in Berkeley für die Aufnahme des viel radioaktiveren Californium-Targets im Vergleich zu Plutonium-244 vorbereitet ist.
Dank der schweren Metallstrahlen wäre die Entdeckung des nächsten superschweren Elements bis 2026 möglich. Eine erfreuliche Perspektive sowohl für Experimentatoren als auch für Theoretiker: Die Synthese und anschließende Untersuchung neuer Elemente jenseits der derzeitigen Grenzen gibt den Physikern Aufschluss über die Struktur des Kerns – das Element 120 könnte beispielsweise ein hypothetisches Insel der Stabilität enthüllen, in dem die Lebensdauer der Kerne viel länger wäre als die der bisher produzierten superschweren Kerne.