Konkurrerer om å lage verdens tyngste grunnstoff

Alle grunnstoffer som er tyngre enn jern, er dannet i supernovaer. En supernova er en gigantisk stjerneeksplosjon med enorme mengder energi. Energien i sola er så lav at den bare kan
danne lette grunnstoffer.

I høst duellerer to internasjonale forskerlag om hvem som klarer å lage universets tyngste grunnstoff i et laboratorium.

Supertunge grunnstoffer er dem med atomnummer over 104. Nummeret står for antall protoner i atomkjernen. For noen år siden klarte forskere å lage grunnstoff 118. Nå står grunnstoffene 119 og 120 for tur.

Jon Petter Omtvedt , professor i kjernekjemi ved Universitetet i Oslo, er med i det ene laget. Han har forsket på supertunge grunnstoffer i 20 år. Sammen med forskere fra en rekke vesteuropeiske land, Japan og USA håper han å vinne det prestisjefylte kappløpet. Eksperimentet foregår ved GSI, det tyske Helmholtz-senteret for tungioneforskning, som er nesten like stort som det kjernefysiske Big Bang-forskningsanlegget i CERN.

Konkurrentene, et team med russiske og amerikanske forskere, vil gjerne vinne duellen i kjerneforskningsanlegget Dubna i Russland. Det er ikke gitt hvem som går av med seieren.

– Konkurransen er knivskarp. Supertunge grunnstoffer er veldig ustabile og meget vanskelige å lage. Det er som å finne det ukjente i det ytre verdensrom. Vi jobber helt på kanten av hva som er eksperimentelt mulig. For å undersøke de tyngste grunnstoffene må vi strekke dagens teknologi til det aller ytterste og enda litt lenger, forklarer Omtvedt.

Selv om det holder å lage ett eneste atom av det nye grunnstoffet, er det ikke nok til et vitenskapelig bevis.

– Ingen får anerkjennelse før et annet laboratorium klarer å gjenskape forsøket. I verste fall kan det ta flere tiår før forsøket er verifisert.

Ett atom i måneden.

Forskerne er allerede i gang med å prøve å lage det første atomet av grunnstoff 120. Produksjonstiden for supertunge grunnstoffer er lengre jo tyngre de er. Da forskere oppdaget grunnstoff 106, klarte de å lage ett atom i timen. Halveringstiden, det vil si den omtrentlige levetiden på et atom, var tjue sekunder. Det betyr at halvparten av stoffet ble omdannet til andre, lettere grunnstoffer i løpet av 20 sekunder.

I jakten på grunnstoff 118 klarte de å lage ett atom i måneden. Da var halveringstiden så kort som 1,8 millisekund.

– Sannsynligheten er absolutt til stede for at det er enda vanskeligere å lage tyngre atomer. Dessuten må vi regne med ultrakorte halveringstider.

Felles jaktstart.

Jaktstarten på grunnstoff 119 skjer i høst, med en gang det kjernefysiske anlegget Oak Ridge National Laboratory i USA har produsert 20 milligram av det svært radioaktive stoffet berkelium. Berkelium, som må lages kunstig i helt spesielle kjernereaktorer, er tyngre enn uran og ekstremt vanskelig å fremstille i rene konsentrasjoner.

Hvert av forskerlagene får ti milligram.

For å lage grunnstoff 119 skyter de en partikkelstråle med titanatomer på en metallplate, krydret med berkelium. Det haster å bruke bercelium før det forsvinner. Berkelium er ferskvare. Halveringstiden er 320 dager. Det vil si at halvparten av berkelium-mengden er borte etter 320 dager.

Biljardkuler smelter sammen.

Målet er å få et titanatom til å smelte sammen med et berkeliumatom. Titan har atomnummer 22. Berkelium har atomnummer 97. Til sammen har disse to atomene 119 protoner. Det vil si akkurat nok til å lage ett atom av grunnstoff 119.

– Det er svært vanskelig å lage intense titanstråler. Her har vi hemmeligheter som vi ikke deler med noen andre. Vi skal skyte fem tusen milliarder titanatomer i sekundet. Det blir som å skyte med biljardkuler, men treffsannsynligheten er svært liten.

Når atomene en sjelden gang treffer hverandre, blir de stort sett bare knust eller delvis ødelagt i kollisjonen.

– Men mindre enn én gang i måneden får vi det ene atomet. Sannsynligheten er lavere enn å vinne i Lotto. Poenget er at du skal oppdage dette ene atomet på en metallplate med mer enn 100 000 uønskete hendelser i sekundet.

Oppdages når atomet forsvinner.

Den eneste måten å gjøre dette på, er å måle den radioaktive strålingen i det øyeblikket atomet går i stykker.

– Det betyr: Vi kan først klare å måle atomet når det er borte. Ikke før!

Den sikreste måten å oppdage atomet på, er å undersøke alle “døtrene” til atomet når det går i stykker.

En slik kjede av atomdelinger kan bestå av fem til åtte ledd. Først når reaksjonskjeden blir på en bestemt måte, kan forskerne være sikre på at de har funnet det nye grunnstoffet.

Det er ikke lett å oppdage atomer med så kort halveringstid. Dagens detektorer må “tenke seg om” etter hver hendelse. Da er de ikke klare til å oppdage neste hendelse med en gang.

Forskerteamet har derfor utviklet enda raskere detektorer.

– De er i stand til å måle de ultrakorte halveringstidene.

Enorm masse.

Forskerne ønsker også å vite hvordan et grunnstoff er satt sammen og hvorfor noen grunnstoffer er ustabile.

– Supertunge grunnstoffer er veldig store og faller lett fra hverandre.

En atomkjerne består av protoner og nøytroner. Jo større atomkjernen blir, desto vanskeligere er det for kreftene mellom protonene og nøytronene å holde kjernen sammen.

– Det er ikke nok at nøytronene og protonene er på samme sted samtidig. De må ha vært limt sammen i minst noen brøkdeler av et mikrosekund for å kunne karakteriseres som en atomkjerne. Ett av de store og spennende spørsmålene er å se hvor tunge grunnstoffer man kan lage. Selv om det er svært vanskelig å lage 119 og 120, tror vi ikke disse grunnstoffene er slutten på det periodiske systemet, forteller Jon Petter Omtvedt.