Год назад мы уже рассказывали, как в Дубне создают новые элементы таблицы Менделеева и почему этот проект называют «фабрикой невозможного». Тогда мы разбирали, как это работает. Сегодня же посмотрим на сам запуск установки и на то, к чему он привел — и почему сейчас ученые всерьез рассчитывают выйти за пределы таблицы.
Запуск Фабрики сверхтяжелых элементов в Дубне
25 марта 2019 года в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне запустили циклотрон ДЦ-280 — основу Фабрики сверхтяжелых элементов. Это установка, на которой пытаются получить элементы, которых еще нет в таблице Менделеева. Фабрику создавали не только ради новых элементов, а чтобы разобраться, можно ли идти дальше по таблице и где она заканчивается.
Новый комплекс позволил работать с более интенсивными пучками и лучше фиксировать редкие события. В экспериментах такого типа иногда речь идет буквально об одном зарегистрированном атоме — и именно под это и создавалась вся инфраструктура.
Зачем создают новые элементы таблицы Менделеева
Сверхтяжелые элементы живут очень мало — иногда доли секунды. Но именно поэтому они важны. С увеличением числа протонов ядро становится все менее устойчивым: растет отталкивание, и удержать такую систему сложнее. В какой-то момент она должна «разваливаться» сразу.
При этом теория допускает, что существует область, где тяжелые ядра могут быть устойчивее — так называемый остров стабильности. Пока это гипотеза, и проверить ее можно только экспериментально.
Как устроена Фабрика и принцип работы установки
Фабрика сверхтяжелых элементов — это не одна установка, а цепочка процессов, где каждый этап критичен. Ошибка на любом из них означает потерю результата, который мог появиться всего один раз. Вся логика работы строится вокруг крайне редких событий: нужно не только «создать» новое ядро, но и вовремя его заметить, пока оно не распалось.
Ускорение и столкновение
Первый этап — разгон частиц и создание условий для ядерной реакции. Именно здесь задаются параметры, от которых зависит, произойдет ли вообще синтез нового элемента.
В центре установки находится циклотрон ДЦ-280. Он разгоняет ионы — чаще всего кальций-48, а также более тяжелые элементы вроде титана или хрома — до высоких энергий. Этот пучок направляют на мишень из тяжелого элемента, например берклия или калифорния. В редчайших случаях ядра сталкиваются так, что не разлетаются, а сливаются, образуя новое сверхтяжелое ядро.
Как фиксируют один атом
Даже если синтез произошел, это еще не результат. Главная сложность — доказать, что он действительно был.
После мишени частицы проходят через сепаратор, который отделяет потенциально интересные ядра от огромного фона. Затем включаются детекторы: они фиксируют цепочки альфа-распадов и моменты деления ядра.
По этим цепочкам ученые восстанавливают «родословную» ядра и определяют, какой элемент был получен. Фактически весь эксперимент держится на регистрации нескольких последовательных сигналов — если один из них потерян, доказательство исчезает.
Какие элементы уже получили и исследовали
Дубна уже несколько десятилетий остается одним из главных центров синтеза сверхтяжелых элементов. За это время таблица Менделеева пополнилась элементами с номерами от 101 до 118, и значительная часть этих открытий связана именно с ОИЯИ.
Здесь были синтезированы флеровий, ливерморий, московий и теннессин, а также оганесон — самый тяжелый из известных на сегодня элементов. Многие из этих результатов получены в сотрудничестве с международными лабораториями, в том числе в США и Японии.
Ключевую роль в этих открытиях сыграли установки предыдущего поколения — ускоритель У-400 и сепаратор DGFRS. Первый разгонял частицы и создавал условия для рождения новых ядер, а второй позволял «поймать» их среди огромного числа других частиц. Именно благодаря этой связке ученые смогли фиксировать редчайшие события, когда появляется всего один атом нового элемента.
После запуска Фабрики сверхтяжелых элементов работа перешла на новый уровень. Повысилась интенсивность пучков, улучшилась система отбора и регистрации, и ученые смогли получать больше данных по уже известным элементам.
В 2022 году на Фабрике сообщили о синтезе новых изотопов — дармштадтия-276, хассия-272 и сиборгия-268. Такие результаты позволяют уточнять свойства ядер и проверять теоретические модели в области, где экспериментальных данных все еще крайне мало.
Какие элементы планируют открыть в ближайшие годы
Главная цель сейчас — элементы 119 и 120. Именно они должны продолжить таблицу Менделеева и вывести исследования в область, где начинается новый период.
Для этого используют более сложные комбинации: тяжелые мишени и новые типы пучков. Такие эксперименты требуют высокой интенсивности и стабильности работы установки — именно под это и создавалась Фабрика.
По словам заместителя директора Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Александра Карпова, сверхтяжелые элементы на Земле не встречаются и могут существовать только в лабораторных условиях. При этом теория допускает, что некоторые из еще не открытых изотопов могут оказаться значительно более устойчивыми — их время жизни может быть на порядки выше, чем у уже известных ядер.
Сегодня эксперименты идут в условиях, где каждая попытка может длиться месяцы, а результат — появиться всего один раз. Но именно такие единичные события позволяют шаг за шагом двигаться дальше по таблице.
Если синтез элементов 119 и 120 удастся, это станет не просто очередным открытием. Это будет сигналом, что границы таблицы Менделеева еще не достигнуты — и наши представления о пределе устойчивости материи пока далеки от окончательных.
Ранее Наука Mail рассказала о свече Яблочкова — изобретении, с которого началось массовое электрическое освещение.
