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Se sabía que este camino era muy prometedor, pero los físicos invirtieron varios años de desarrollo para obtener haces suficientemente intensos para este uso. Con este éxito, emerge una nueva vía de síntesis de núcleos superpesados. Una vía que debería permitir en el futuro producir nuevos núcleos más allá del oganesón-294 (Z=118), el núcleo más pesado jamás estudiado por los físicos nucleares. El próximo paso será lograr sintetizar el elemento 120.
Aunque el elemento 116 era conocido y había sido sintetizado desde hace unos veinte años, los dos isótopos de livermorio que aparecieron brevemente en el ciclotrón del Berkeley National Laboratory los días 27 de abril y 16 de junio pasado pusieron a la comunidad de la física nuclear en alerta. Es que los dos isótopos de este elemento superpesado, ausente en la naturaleza, resultaron de una unión inédita: la del plutonio-244 (Z=94) y el titanio-50.
El uso del titanio-50 en el marco de tales reacciones en laboratorio, llamadas de fusión-evaporación, había dado dolores de cabeza a los físicos durante muchos años. Pero el juego valía la pena: en las condiciones adecuadas, el uso de este isótopo y el de su vecino, el cromo-54 (Z=24), podría desbloquear la búsqueda de núcleos cada vez más ricos en protones, llevando la técnica de fusión-evaporación a nuevas esferas.
Este procedimiento, empleado en física nuclear para sintetizar núcleos artificiales superpesados, parece a primera vista tan simple como brutal: tome un núcleo pesado (aquí el plutonio-244) y bombardéelo con núcleos más ligeros (aquí el titanio-50). Con un poco de suerte, algunos de estos proyectiles superarán la repulsión entre las cargas positivas de los dos núcleos para fusionarse con los núcleos pesados del objetivo.
La puesta en práctica de la reacción de fusión-evaporación ha permitido a los científicos producir en el laboratorio numerosos elementos artificiales más allá del uranio, profundizando así nuestra comprensión de los mecanismos nucleares y nuestro conocimiento de estas estructuras cuánticas. Pero he aquí el problema: los haces de calcio-48 (Z=20), en los que se basaba hasta ahora este procedimiento, han alcanzado su límite al bombardear objetivos de californio, los más pesados que es posible producir.
De hecho, fue la fusión del californio, con sus 98 protones, y el calcio-48 lo que permitió producir el oganesón, es decir, el elemento más pesado jamás producido en el laboratorio, con 118 protones. Para superar este límite, actualmente solo hay una solución posible: recurrir a nuevos haces metálicos más pesados que el calcio-48, como el titanio-50 o el cromo-54.
Sin embargo, recurrir a núcleos más pesados es un desafío. Cuanto mayor es el número de protones, más intensa es la barrera electrostática que se opone a la fusión, sin mencionar que la energía cinética de estos núcleos es más alta, lo que hace que el núcleo sintetizado esté más excitado y, por lo tanto, más inestable. Las posibilidades de supervivencia de estos núcleos son, por tanto, muy escasas y es difícil disponer al mismo tiempo de la energía y la intensidad del haz necesarias. Además, el titanio es uno de los haces más difíciles de producir a alta intensidad de manera continua.
Para sortear este problema y lograr el resultado de 2024, dos métodos fueron sucesivamente actualizados y adoptados por el equipo del IPHC liderado por Benoît Gall en lo que se convertiría en una verdadera epopeya científica. El grupo comenzó siguiendo la pista de los MIVOC (por Metal Ion from Volatile Organic Compounds), donde los isótopos de los iones metálicos se aíslan y luego se asocian con compuestos orgánicos volátiles para formar un polvo estable. Los vapores resultantes de la sublimación de este polvo alimentan luego la fuente de iones para producir los haces.
Mediante este método, Zouhair Asfari, químico del IPHC, permitió generar un haz de titanio-50 suficientemente intenso para producir más de 2000 núcleos de rutherfordio-256 (Z=104) en 2011. El mismo método se aplicó varios años más tarde al cromo-54 para estudiar la fisión del elemento 120 en Dubna, Rusia. "En estas condiciones experimentales, explica Benoît Gall, apenas se le dejaba una posibilidad de supervivencia. Fisionaba casi inmediatamente, pero la manipulación nos permitió aprender más sobre este proceso".
A mayor intensidad, los vapores relacionados con los compuestos MIVOC saturan la fuente. Por eso, el equipo del IPHC se volcó en un segundo momento hacia un método alternativo, el de la vaporización directa de los metales mediante microhornos de inducción. Esta técnica tiene la ventaja de generar vapores de metales puros, aumentando la intensidad producida por las fuentes y, por tanto, el número de reacciones de fusión en el objetivo. Pero si 400°C son suficientes para vaporizar calcio, se necesita alcanzar 1660°C para producir un haz de titanio con este método, lo que requiere el desarrollo de hornos adaptados y más potentes.
Parte trasera del separador del Berkeley National Laboratory, con el sistema de detección en el plano focal. Es en esta infraestructura donde se sintetizaron los núcleos de livermorio a partir de haces de titanio-50.
Los científicos de Estrasburgo se involucraron en un proyecto de microhorno de inducción para el estudio de núcleos superpesados con el espectrómetro S3 en el GANIL, así como para su programa de síntesis de elementos superpesados. Pudieron demostrar la capacidad de su horno para vaporizar cromo y titanio en 2019 en Dubna, proyecto que desde entonces ha sufrido las consecuencias del contexto internacional.
En 2020, el grupo unió esfuerzos con los colegas de Berkeley, que también desarrollan un horno de inducción, y les aportaron su experiencia. Es en el marco de esta fructífera colaboración que la síntesis del livermorio en el ciclotrón de Berkeley viene a recompensar los esfuerzos de larga data del equipo.
"Este experimento constituye un paso importante hacia la síntesis de nuevos elementos, ya que no solo da una prueba de la viabilidad de la síntesis del elemento 120 con un haz de titanio-50, sino también una estimación del tiempo que nos llevará producirlo!", se alegra Benoît Gall. El experimento podrá comenzar tan pronto como la instalación experimental en Berkeley esté preparada para recibir el objetivo de californio, mucho más radiactivo que el plutonio-244.
Gracias a los haces metálicos pesados, el descubrimiento del próximo elemento superpesado sería entonces posible para 2026. Una perspectiva alentadora tanto para los experimentadores como para los teóricos: sintetizar y luego estudiar nuevos elementos más allá de los límites actuales ilumina a los físicos sobre la estructura del núcleo; el elemento 120 podría, por ejemplo, revelar un hipotético islote de estabilidad donde la vida de los núcleos sería mucho más larga que la de los núcleos superpesados producidos hasta ahora.