Wolałyby nie istnieć, a przesuwają granice fizyki i chemii. Pierwiastki superciężkie

W rzeczywistości te pierwiastki zdecydowanie wolałyby nie istnieć. Ich jądra, pełne protonów i neutronów, rozpadają się poprzez rozszczepienie lub rozpad radioaktywny w ciągu kilku chwil od powstania.

Są to pierwiastki superciężkie: po rutherfordzie mamy dubn, seaborg, bohr i inne dziwactwa, aż do najcięższego pierwiastka, jaki kiedykolwiek stworzono – oganesonu – o liczbie atomowej 118. Ludzie wytworzyli jedynie znikome ilości tych pierwiastków. W 2020 roku, 18 lat po pierwszym udanym uzyskaniu oganesonu w laboratorium, naukowcy donieśli o wytworzeniu łącznie pięciu atomów tego pierwiastka. Nawet gdyby udało im się wytworzyć znacznie więcej, nigdy nie byłoby to coś, co można by trzymać w dłoni – oganesson jest tak radioaktywny, że mielibyśmy więcej ciepła niż samej materii.

Korzystając z ultraszybkich metod pojedynczych atomów (atom-at-a-time), naukowcy zaczynają badać ten tajemniczy region układu okresowego i odkrywają, że jest on tak fantastyczny, jak wyobrażenia średniowiecznych kartografów. Tutaj, na niezbadanym wybrzeżu chemii, atomy mają wiele dziwnych właściwości, od jąder w kształcie dyni po elektrony związane tak ściśle z jądrem, że podlegają zasadom teorii względności, podobnie jak obiekty krążące wokół czarnej dziury.

Ich właściwości mogą ujawnić informacje dotyczące pierwotnych pierwiastków powstających w potężnych zjawiskach astrofizycznych, takich jak supernowe i zderzenia gwiazd neutronowych. Co więcej, badanie tej dziwnej materii może pomóc naukowcom zrozumieć bardziej typową materię, która występuje naturalnie wokół nas. W miarę jak badacze stają się coraz lepsi w rejestrowaniu i pomiarach cech tych atomów, przesuwają granice możliwości organizacji materii.

„Układ okresowy jest czymś fundamentalnym” – mówi Witold Nazarewicz, fizyk teoretyk jądrowy i główny naukowiec w Zakładzie Wiązek Rzadkich Izotopów (Facility for Rare Isotope Beams) na Michigan State University. „Jakie są granice tej koncepcji? Jakie są granice fizyki atomowej? Gdzie kończy się chemia?”.

Na ścianie w betonowym korytarzu znanym jako Cave 1 w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), zaledwie kilka kroków od jednego z niewielu instrumentów na świecie, które mogą tworzyć superciężkie atomy, widnieje tabela wielkości plakatu, która porządkuje pierwiastki według nuklidów, czyli na podstawie liczby protonów i neutronów w jądrze. Wykres ten przedstawia wszystkie znane informacje na temat struktury jądrowej i rozpadu pierwiastków, a także ich izotopów, czyli odmian pierwiastków o tej samej liczbie protonów w jądrze, ale o różnej liczbie neutronów.

To jest żyjący dokument. W tytule wkradła się literówka, a na krawędziach plakatu widać rozdarcia w miejscach, w których taśma klejąca, którą przymocowany jest do ściany. Wydrukowano go w 2006 roku, a później nanoszono na nim notatki markerem. Te adnotacje są fizyczną wersją zapisków marynarzy o nowych wyspach, ale w tym przypadku wyspami są izotopy pierwiastków tak ciężkich, że można je zobaczyć tylko w akceleratorach cząstek, takich jak ten tutaj. W dziedzinie, w której wytworzenie jednego atomu pożądanego pierwiastka może zająć tydzień, rejestrowanie postępów jest kluczowe.

„Wszyscy lubią część pisaną odręcznie – mówi Jacklyn Gates, która kieruje Grupą Ciężkich Pierwiastków w LBNL. – Gdybyśmy to wydrukowali w 2023 roku...”

„...nie byłoby to takie zabawne” – wtrąca Jennifer Pore, pracownica naukowa w laboratorium.

„Nie byłoby” – zgadza się Gates.

Gates jest chemiczką jądrową z dużym poczuciem humoru i wyraźną sympatią do sprzętu, który ona i jej zespół skonstruowali w celu syntezowania pierwiastków superciężkich. Grupa tworzy te pierwiastki, rozbijając atomy o standardowych rozmiarach w cyklotronie – akceleratorze cząstek w kształcie bębna szerokości 2,2 m – w laboratorium położonym na zboczu wzgórza nad miastem Berkeley. Budowa cyklotronu rozpoczęła się w 1958 roku, po tym jak w opadach z pierwszych eksplozji bomb jądrowych zaczęły pojawiać się nowe pierwiastki promieniotwórcze, takie jak ferm (liczba atomowa 100). Duża część tego pierwszego cyklotronu cyklotronu przetrwała do dziś; w pokoju kontrolnym srebrne tarcze, które mogłyby się pojawić w thrillerze z czasów zimnej wojny, sąsiadują z beżowymi panelami z lat 80. i niebieskimi zestawami przycisków z nowoczesnych aktualizacji.

Pierwszy z superciężkich pierwiastków, rutherford, zsyntetyzowano tutaj w 1969 roku. Rutherford, nazwany na cześć Ernesta Rutherforda, który pomógł wyjaśnić strukturę atomów, został również wyprodukowany kilka lat wcześniej przez rosyjski Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych (ZIBJ) w Dubnej – tę samą grupę, która w 2002 roku jako pierwsza stworzyła oganeson (nazwany na cześć kierującego zespołem Jurija Oganiesiana). Od końca lat 50. rywalizacja o dodawanie nowych pierwiastków stała się gorętsza niż wiązki jonów używane do ich wytwarzania. Dziś zaciekłe spory o to, kto pierwszy zsyntetyzował jakiś pierwiastek, toczone głównie między laboratorium w Berkeley a ZIBJ, są nazywane Wojnami Transfermowymi.

W latach 80. do walki włączyły się Niemcy ze swoim instytutem badań jądrowych Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI). Liczby rosły, a trzy zespoły wymieniały się prawami do nazw, aż do kopernika (pierwiastka 112, nazwanego na cześć Mikołaja Kopernika), odkrytego w 1996 roku. W 1999 roku naukowcy z LBNL ogłosili odkrycie pierwiastka 116, znanego obecnie jako liwermor (od Lawrence Livermore National Laboratory), po czym się z tego wycofali, kiedy okazało się, że jeden z ich naukowców sfabrykował dowody. (ZIBJ z powodzeniem stworzył liwermor w 2000 roku). W 2004 roku Japoński Instytut Badań Fizycznych i Chemicznych (RIKEN) zsyntetyzował pierwiastek 113 – nihon. Nazwa pochodzi od japońskiego słowa oznaczającego Japonię. Chociaż pierwiastek 118 jest najcięższym pierwiastkiem, jaki kiedykolwiek zsyntetyzowano, jako ostatni odkryto pierwiastek 117 – tenes, którego wytworzenie ogłosił ZIBJ w 2010 roku. Naukowcy dokonujący odkrycia nazwali go tak na cześć stanu Tennessee, w którym znajduje się kilka instytucji mających udział w eksperymentach.

Wyścig w tworzeniu coraz cięższych pierwiastków trwa do dziś i to nie tylko dlatego, że badacze, którym się to uda, mogą nadać nazwę nowej pozycji w układzie okresowym. Innym powodem jest to, że teoretycy przewidują, iż niektóre kombinacje protonów i neutronów mogą wylądować na „wyspie stabilności”, gdzie pierwiastki te nie będą się natychmiast rozpadać. „Niektóre teorie przewidują, że czas połowicznego rozpadu może wynosić rok albo 100 dni, albo 1000” – mówi Hiromitsu Haba, fizyk i dyrektor Grupy Chemii Jądrowej w RIKEN, która obecnie zajmuje się poszukiwaniem pierwiastka 119.

Tak długi okres połowicznego rozpadu, czyli czas potrzebny do rozpadu połowy atomów danej substancji, byłby wystarczający do poważnych eksperymentów, a nawet wykorzystania jej w nowych technologiach. Na razie jednak badania nad superciężkimi pierwiastkami koncentrują się na ich podstawowych właściwościach i tym, co mogą ujawnić na temat dynamiki jądrowej, a nie na tym, czym mogłyby się okazać jako materiały. Nie oznacza to jednak, że kiedyś te pierwiastki nie staną się użyteczne.

„Nic, co teraz robimy […] nie ma praktycznych zastosowań – mówi Gates. – Ale jeśli spojrzysz na swój telefon komórkowy i wszystkie wynalazki, które w nim zastosowano, to okaże się, że zaczęło się jeszcze w epoce brązu. Ludzie nie wiedzieli, że doprowadzi to do powstania urządzeń, od których wszyscy jesteśmy dziś całkowicie zależni. Czy zatem superciężkie pierwiastki mogą być użyteczne? Może nie w moim pokoleniu, ale za jedno lub dwa, kiedy będziemy dysponować lepszą technologią i rzeczy te staną się nieco łatwiejsze”.

Wytwarzanie tych pierwiastków zdecydowanie nie jest łatwe. Naukowcy robią to, strzelając wiązką ciężkich jonów (w tym przypadku dużych jąder atomowych pozbawionych elektronów) w stronę tarczy, mając nadzieję na przezwyciężenie odpychania elektrostatycznego między dwoma dodatnio naładowanymi jądrami i zmuszenie ich do fuzji. W LBNL źródłem wiązki jonów jest urządzenie o nazwie VENUS (versatile electron cyclotron resonance ion source for nuclear science; wielofunkcyjne źródło jonów z elektronowym rezonansem cyklotronowym dla badań jądrowych), które znajduje się na szczycie cyklotronu za ogrodzeniem obwieszonym ostrzeżeniami o promieniowaniu. W VENUS połączenie mikrofal i silnych pól magnetycznych usuwa elektrony z wybranego pierwiastka (w eksperymentach Gates jest to często wapń lub argon). Powstałe w ten sposób jony trafiają rurą do cyklotronu, który rozpędza je po spirali, przyspieszając w ten sposób wiązkę.

Technicy w pokoju kontrolnym wykorzystują siły elektrostatyczne, aby skierować wiązkę poza cyklotron i do instrumentów w „jaskiniach” – niskich korytarzach, które wystają z cyklotronu jak szprychy. W jaskiniach umieszczone są tarcze dla wiązki; w Jaskini 1 znajduje się cienka metalowa folia o średnicy talerza na sałatkę. Tarcze obracają się tak, aby wiązka nie trafiała zbyt długo w jedno miejsce. Jak wyjaśnia Gates, mogą one ulec stopieniu, gdy zostaną zbombardowane pędzącymi jonami.

To, z czego wykonana jest tarcza, zależy od tego, ile protonów naukowcy chcą uzyskać w produkcie końcowym. Dla przykładu, aby wytworzyć flerow (114 protonów, nazwany na cześć rosyjskiego fizyka Gieorgija Flerowa, założyciela i wieloletniego dyrektora Laboratorium Reakcji Jądrowych ZIBJ), należy trafić pluton (94 protony) wapniem (20 protonów). Aby otrzymać pierwiastek 118 – oganeson – naukowcy kierują wiązkę wapnia na kaliforn (98 protonów). Im więcej neutronów uda się zgromadzić w wiązce jonów, tym więcej będzie ich w końcowym produkcie, dzięki czemu powstaną jeszcze cięższe izotopy.

Przez większość czasu wiązka przechodzi przez cel bez żadnych interakcji jądrowych. Jednak w przypadku 6 bln cząstek w wiązce przelatujących przez tarcze w ciągu sekundy, zderzenie jądro-jądro jest nieuniknione. Gdy warunki są odpowiednie, zderzenia te zlepiają jądra, tworząc nowy bardzo krótkotrwały superciężki atom poruszający się z prędkością prawie 600 000 m/s.

Aby te atomy spowolnić i zmierzyć cechy tych superciężkich pierwiastków, naukowcy używają helu i pól elektrycznych do kierowania cząstek do pułapki pomiarowej. Mogą również wpompować do pułapek inne gazy w celu sprawdzenia, jakie reakcje chemiczne zachodzą z udziałem danego superciężkiego pierwiastka, zanim dojdzie do jego rozpadu. Ale, jak mówi szef grupy badawczej chemii pierwiastków superciężkich w GSI Christoph E. Düllmann, jest to wykonalne tylko wtedy, gdy pierwiastek przetrwa wystarczająco długo. Aby przeprowadzać i badać reakcje chemiczne, badacze potrzebują pierwiastka o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym co najmniej pół sekundy.

Naukowcy wyznaczają ilościowo parametry pierwiastków superciężkich i produktów ich reakcji, mierząc energię wydzielaną przez nie podczas rozpadów alfa, czyli podczas emisji wiązek cząstek zbudowanych z dwóch protonów i dwóch neutronów. W LBNL w pomieszczeniu zwanym Chatką naukowcy wypatrują punktów pokazujących, gdzie wewnątrz detektora te cząstki alfa lądują; ich lot ujawnia informacje o składzie pierwotnych atomów i wszelkich reakcjach, do których doszło. Jak mówi Pore, trudno sobie wyobrazić, że faktycznie doszło do reakcji chemicznych: „To prawie tak, jakby to działo się gdzieś indziej”.

Najcięższym pierwiastkiem, którego czas życia jest wystarczająco długi do eksperymentów chemicznych i który da się wytworzyć w odpowiednich ilościach, jest flerow (114). Düllmann mówi, że naukowcy mogą produkować flerow w tempie około trzech atomów dziennie. „Typowy eksperyment wymaga około miesiąca całkowitego czasu pracy. Nie każdy wyprodukowany atom dotrze do sprzętu do badań chemicznych i nie każdy atom, który do niego dotrze, zostanie wykryty.”

Kilka atomów może jednak wiele ujawnić. Zanim zsyntetyzowano flerow, niektóre hipotezy przewidywały, że może on zachowywać się jak gaz szlachetny – być obojętny i niereaktywny – zaś inne, że może zachowywać się jak metal, a konkretnie rtęć. Eksperymenty z tym pierwiastkiem, których wyniki opublikowano w 2022 roku w czasopiśmie „Frontiers in Chemistry”, wykazały coś jeszcze dziwniejszego. W temperaturze pokojowej flerow tworzy silne wiązanie ze złotem, czyli nie zachowuje się jak gaz szlachetny. Wiąże się również ze złotem w temperaturach ciekłego azotu (–196°C). Co dziwne, w temperaturach z zakresu pomiędzy tymi dwoma pierwiastek nie wchodzi w reakcje.

Oganeson został umieszczony w układzie okresowym w tej samej grupie co gazy szlachetne, ale naukowcy uważają, że nie jest on ani szlachetny, ani nie jest gazem. Według badań opublikowanych w 2020 roku w czasopiśmie „Angewandte Chemie”, jest on prawdopodobnie ciałem stałym w temperaturze pokojowej i przechodzi w stan ciekły w temperaturze około 52°C. Mamy wiele takich przykładów, mówi Peter Schwerdtfeger, chemik teoretyczny z Massey University w Nowej Zelandii i główny autor artykułu z 2020 roku.

Przyczyną tych dziwnych właściwości są elektrony. Elektrony krążą wokół jąder, mając określone poziomy energetyczne zwane powłokami, z których każda może pomieścić tylko konkretną ich liczbę. Elektrony w zewnętrznych powłokach – w których może nie być wystarczającej liczby elektronów do ich całkowitego zapełnienia – są odpowiedzialne za tworzenie wiązań chemicznych z innymi atomami. Każda powłoka pozornie reprezentuje określoną odległość od jądra, chociaż rzeczywisty przebieg orbity elektronu w tej powłoce (zwany orbitalem) jest często daleki od prostego okręgu i może wyglądać bardziej jak hantel, pączek, łezka lub jakaś inna konfiguracja. (Zgodnie z mechaniką kwantową, zarysy te reprezentują jedynie miejsca, w których elektron mógłby zostać znaleziony, gdyby dokonano rzeczywistego pomiaru. Jeśli takiego pomiaru nie przeprowadzono, elektron znajduje się gdzieś w chmurze elektronowej wokół jądra z określonym dla danego miejsca prawdopodobieństwem.)

Gdy jądro staje się cięższe, znajdujące się w jego pobliżu elektrony odczuwają ekstremalne przyciąganie przez nadmiar ładunków dodatnich, tak więc poruszają się coraz bliżej, a ich obszar ruchów jest coraz mniejszy. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, która mówi, że położenie i prędkość cząstki nie mogą być dokładnie znane w tym samym czasie, to ograniczenie przestrzeni dla elektronów oznacza, że ich prędkość musi wzrosnąć. Jest to swego rodzaju huśtawka podstawowych praw fizycznych. Wkrótce elektrony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Jak wynika z ogólnej teorii względności, obiekty poruszające się tak szybko zyskują masę i zaczynają zachowywać się dziwacznie. Schwerdtfeger wyjaśnia, że orbity elektronów w stanach o najniższej energii – na najbardziej wewnętrznych powłokach wokół superciężkiego jądra – mają tendencję do kurczenia się, co skutkuje większą gęstością elektronów bliżej jądra. Zmiany te znane są jako efekty relatywistyczne.

Efekty te pojawiają się nawet w naturalnie występujących pierwiastkach układu okresowego. Złoto jest żółtawe, ponieważ efekty relatywistyczne zmniejszają lukę między dwiema powłokami elektronowymi, nieznacznie zmieniając długości fal światła, które pierwiastek pochłania i odbija. Jednak w przypadku większości lekkich pierwiastków efekty relatywistyczne zwykle nie odgrywają dużej roli w ich zachowaniu chemicznym. Dlatego też kolejność pierwiastków w układzie okresowym zależy od liczby protonów w jądrze każdego pierwiastka. Układ okresowy służy do grupowania substancji o podobnych właściwościach chemicznych, które określane są głównie przez liczbę elektronów w zewnętrznych powłokach mogących tworzyć wiązania chemiczne.

„Od układu okresowego oczekuje się, że poinformuje o trendach chemicznych” – mówi Pore z LBNL. W przypadku cięższych pierwiastków, w których zaczynają rządzić efekty relatywistyczne, niekoniecznie jest to prawdą. W badaniach opublikowanych w 2018 roku w czasopiśmie „Physical Review Letters”, Schwerdtfeger i jego koledzy odkryli, że z powodu efektów relatywistycznych chmura elektronowa oganesonu wygląda jak duża, rozmyta plama bez wyraźnego rozgraniczenia między powłokami.

Chemicy debatują nad umiejscowieniem niektórych z pierwiastków w układzie okresowym nawet poza terytorium pierwiastków superciężkich. Od 2015 roku grupa robocza Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej prowadzi debatę na temat tego, które pierwiastki powinny znaleźć się w trzeciej grupie układu okresowego: lantan i aktyn (pierwiastki 57 i 89) czy lutet i lorens (pierwiastki 71 i 103). Debata koncentruje się na niewłaściwie zachowujących się elektronach: z powodu efektów relatywistycznych najbardziej zewnętrzne elektrony krążące wokół jąder tych pierwiastków nie znajdują się tam, gdzie powinny być w układzie. Po dziewięciu latach oficjalnych dyskusji nadal nie ma zgody co do tego, gdzie umieścić te pierwiastki. Takie problemy stają się jeszcze bardziej dotkliwe w przypadku cięższych pierwiastków. „Próbujemy zbadać, gdzie układ okresowy zaczyna się załamywać i przestaje być użyteczny” – mówi Gates.

Oprócz wglądu w granice chemii, dzięki tańcowi elektronów można uzyskać możliwość dokładniejszego przyjrzenia się dynamice jądra atomowego w ekstremalnych warunkach. W jądrze pełnym protonów i neutronów interakcje między tymi cząstkami często zmieniają kształt na coś innego niż stereotypowa sfera, którą pokazują standardowe schematy atomów. Fizyk z GSI Michael Block mówi, że większość przebadanych dotąd superciężkich pierwiastków ma podłużne jądra w kształcie piłki do futbolu amerykańskiego. Teoretycznie cięższe pierwiastki, które nie zostały jeszcze zsyntetyzowane, mogą mieć jądra w kształcie latających spodków lub nawet bąbelków, w samym środku będąc puste lub mieć niską gęstość. Naukowcy „widzą” te kształty, mierząc niewielkie zmiany w orbitach elektronów, na które wpływa rozmieszczenie ładunków dodatnich w jądrze. „To pozwala nam określić rozmiar jądra i jego kształt” – wyjaśnia Block.

Układ jądra atomowego jest kluczem do odpowiedzi na pytanie, czy kiedykolwiek uda się zsyntetyzować superciężki pierwiastek zdolny do przetrwania. Pewne liczby protonów i neutronów (zbiorczo nazywanych nukleonami) są znane jako liczby magiczne, ponieważ jądra zawierające takie liczby nukleonów mogą być szczególnie stabilne. Podobnie jak elektrony, nukleony układają się w powłoki, a liczby magiczne reprezentują wartości potrzebne do całkowitego zapełnienia powłok nukleonowych. Wyspa stabilności, którą naukowcy mają nadzieję znaleźć w nieodkrytym jeszcze superciężkim pierwiastku lub izotopie, byłaby wynikiem „podwójnej magii” – teoretycznie idealnej liczby zarówno protonów, jak i neutronów.

To, czy coś takiego istnieje, jest kwestią otwartą, ponieważ ciężkie jądra mogą się rozpadać, a nie utrzymywać wymaganą liczbę nukleonów. „Rozszczepienie jest zabójcze” – twierdzi Nazarewicz z Michigan State University.

W przeciwieństwie do (względnie) łagodnego procesu nuklearnego, jakim jest rozpad alfa, rozszczepienie jądra atomowego jest zjawiskiem nagłym i ostatecznym. Nazarewicz zwraca uwagę na fakt, że różne modele dają różne przewidywania, ile cząstek można zgromadzić w jądrze, zanim rozszczepienie stanie się nieuniknione. Teoretycy próbują określić tę granicę, aby zrozumieć, jak duże mogą być jądra atomowe.

Jak stwierdza Nazarewicz, istnieje interesująca przestrzeń graniczna na obrzeżach tego, co jądra mogą znieść. Aby coś można było uznać za pierwiastek, jego jądro musi przetrwać co najmniej 10^–14 s, czyli czas potrzebny elektronom na przyłączenie się i utworzenie atomu. Teoretycznie jednak czas życia jądra może wynosić nawet tylko 10^–21 s. W tej nieskończenie małej luce można znaleźć jądra bez chmur elektronowych, niezdolne do chemii, mówi badacz.

„W przypadku najcięższych pierwiastków układ okresowy już się załamał” – uważa Nazarewicz. Pytanie brzmi: gdzie całkowicie złamuje się chemia?

Innym sposobem na poznanie superciężkich pierwiastków jest poszukiwanie ich w kosmosie. Pierwiastki cięższe od żelaza (liczba atomowa 26) powstają w naturze w procesie szybkiego wychwytu neutronów, zwanego także procesem r (od rapid neutron capture). Zachodzi on często podczas kosmicznych kataklizmów, takich jak zderzenie dwóch gwiazd neutronowych.

Gabriel Martínez-Pinedo, astrofizyk z GSI, uważa że jeśli pierwiastki superciężkie kiedykolwiek pojawiły się naturalnie we Wszechświecie, to również musiały powstać w tym procesie. W procesie r jądro inicjujące chwyta pobliskie swobodne neutrony i szybko nabiera masy, tworząc ciężkie izotopy. Musi się to odbywać w środowisku z dużą ilością poruszających się swobodnie neutronów, dlatego zderzenie gwiazd neutronowych jest odpowiednim do tego miejscem.

Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali zderzenie gwiazd neutronowych w 2017 roku, wykrywając fale grawitacyjne powstałe w trakcie tego zjawiska. „Było to pierwsze potwierdzenie, że proces r rzeczywiście zachodzi podczas zderzania się dwóch gwiazd neutronowych” – mówi Martínez-Pinedo. Naukowcy wykryli izotopy lantanowców (pierwiastków o liczbach atomowych od 57 do 71), ale, jak donosili wówczas w „Nature”, nie mogli precyzyjnie określić, jakie to były pierwiastki. Znalezienie jakichkolwiek superciężkich pierwiastków będzie jeszcze trudniejsze, ponieważ naukowcy będą musieli wiedzieć, jakie unikalne długości fal promieniowania są przez nie emitowane i pochłaniane, po czym wyłowić je z tego, co Martínez-Pinedo nazywa „skomplikowaną zupą pierwiastków”.

Jednakże w grudniu 2023 roku w czasopiśmie „Science” ukazało się doniesienie, że w niektórych gwiazdach występują nadmierne ilości kilku lżejszych pierwiastków – rutenu, rodu, palladu i srebra. Nadreprezentacja tych pierwiastków może być wynikiem rozszczepienia pierwiastków ciężkich lub superciężkich. Odkrycia te sugerują, że w procesie r mogą powstawać jądra zawierające nawet 260 protonów i neutronów.

Martínez-Pinedo uważa, że nawet jeśli superciężkie pierwiastki powstałe w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych szybko się rozpadają, wiedza o ich istnieniu pomogłaby naukowcom napisać historię materii we Wszechświecie. Nowe obserwatoria, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i powstające Obserwatorium Very C. Rubin w Chile, powinny umożliwić obserwację innych kosmicznych zdarzeń zdolnych do tworzenia pierwiastków superciężkich. „Pojawią się też nowe detektory fal grawitacyjnych, które pozwolą nam obserwować zjawiska w znacznie większych odległościach i z większą precyzją” – dodaje.

Dzięki nowej wiązce wysokoenergetycznej w Zakładzie Wiązek Rzadkich Izotopów w Michigan możliwe będzie uzyskanie dalszego wglądu w proces r poprzez wprowadzanie większej liczby neutronów do izotopów, niż robiono to kiedykolwiek wcześniej. Nie są to nowe pierwiastki superciężkie, lecz wzbogacone wersje lżejszych pierwiastków. W lutym naukowcy poinformowali w czasopiśmie „Physical Review Letters”, że udało im się stworzyć ciężkie izotopy tulu, iterbu i lutetu z użyciem zaledwie jednej 270. ostatecznej planowanej mocy wiązki. Przy wyższych poziomach mocy powinni być w stanie wytworzyć rodzaje izotopów, które ostatecznie rozpadają się na cięższe stabilne metale, takie jak złoto. „Może to wyjaśnić sposób powstawania niektórych izotopów interesujących pod względem astrofizycznym” – mówi Brad Sherrill, fizyk z Michigan State University, będący współautorem tego badania.

Tymczasem inni naukowcy na całym świecie również starają się wzmocnić swoje wiązki jonów i tarcze, aby przekroczyć granicę 118. Ponadto zwiększają precyzję, z jaką mogą wychwytywać i mierzyć te pierwiastki. Naukowcy z Zakładu Wiązek Rzadkich Izotopów planują 10-krotnie zwiększyć swoją zdolność rozróżniania cząstek. GSI będzie wkrótce dysponować akceleratorem nowej generacji do syntezy superciężkich pierwiastków. W LBNL Gates i jej zespół instalują instrumenty do wykonywania bardziej precyzyjnych pomiarów masy pojedynczych atomów.

Te nowe narzędzia powinny jeszcze bardziej ujawnić, jakie są granice chemii w ekstremalnych warunkach. „Kiedy zajmujemy się chemią superciężką – mówi Schwerdtfeger z Massey University – zawsze natrafiamy na niespodzianki”.