Анатомия на една скъпоструваща секунда
Когато се говори за синтеза на свръхтежки елементи, учебниците по химия обикновено рисуват чисти графики и подредени квадратчета с латински наименования. Но ако слезете в бункерите на Лабораторията за ядрени реакции „Флеров“ в Дубна, романтиката бързо се изпарява под тежкия мирис на озон, жуженето на трансформаторите и монотонния шум на вакуумните помпи. Тук не се създава материя от нищото; тук се извършва брутално механично насилване на природата. За да се получи един-единствен атом от елемент 118, наречен оганесон, е необходимо да се блъснат милиарди ускорени ядра на изотопа калций-48 в мишена от калифорний-249. Коефициентът на полезно действие е толкова микроскопичен, че граничи със статистическата грешка. Наблюдаваме процес, при който за десет денонощия непрекъсната работа на ускорителя, консумиращ мегавати електроенергия, се засича само една верига на алфа-разпад, потвърждаваща, че за миг е съществувал нов свръхтежък елемент.
Цялата тази сложна и скъпа апаратура работи, за да потвърди хипотезата, формулирана още в края на 60-те години на миналия век от физици като Свен Гьоста Нилсон и Албърт Гиорсо. Теорията твърди, че при достигането на определен брой протони (114, 120 или 126) и неутрони (184) в ядрото, полуживотът на елементите рязко ще се увеличи от милисекунди на часове, дни или дори години. Това е така нареченият „остров на стабилността“. Проблемът е, че до момента никой не е успял да акостира на този бряг. Ние само го докосваме по периферията, получавайки ядра с твърде малко неутрони, които се разпадат почти в момента на раждането си. Пробойни в теорията се появяват веднага, щом се сблъскаме с факта, че изкуствено синтезираните изотопи на флеровия (елемент 114) живеят едва около една десета от секундата, което е далеч от предсказаните по-рано стабилни години.
Суровият материален лимит на ядрената алхимия
Зад бляскавите научни публикации стои тежка логистика и разпределение на дефицитни ресурси. Изходните материали за тези експерименти не се купуват от борсата. Калций-48 е изключително рядък стабилен изотоп, чието естествено съдържание в обикновения калций е едва 0.187%. За да се изолира един грам от този изотоп чрез електромагнитна сепарация в специализираните заводи в Лесной или Оук Ридж, са необходими месеци работа на огромни инсталации и стотици хиляди долари. Още по-абсурдна е ситуацията с мишените от актиниди. Берклий-249, необходим за синтеза на тенесин (елемент 117), има полуживот от едва 330 дни. Това означава, че от момента на неговото производство в реактора HFIR в Оук Ридж, САЩ, или в реактора СМ-3 в Димитровград, Русия, часовникът тиктака неумолимо. Всеки ден транспорт, митнически процедури и подготовка на мишената буквално изяждат ценния материал.
Логистиката се усложнява допълнително от съвременните политически реалности. Преди години сътрудничеството между руския институт в Дубна и американската национална лаборатория „Лоурънс Ливърмор“ беше смазана машина – американците доставяха редките актинидни мишени, а руската страна осигуряваше ускорителното време на своите мощни циклотрони. Днес тези канали са почти напълно запушени. Руските изследователи са принудени да разчитат изключително на вътрешно производство в Димитровград, което обаче е ограничено от капацитета на местните реактори и технологичния лимит на радиационната безопасност при работа с тежки трансуранови елементи. Тези чисто материални и инфраструктурни фактори, а не липсата на интелектуален потенциал, определят темпото на научния прогрес в тази област.
Защо островът на стабилността все още изглежда като фата морга
За да се разбере защо преходът към следващите елементи – 119 и 120 – се бави вече толкова време, трябва да се вгледаме във физиката на самия сблъсък. Досегашният метод, използващ лъч от калций-48, изчерпа своите възможности. Калцият има 20 протона. За да синтезираме елемент 119, ни трябва мишена от ейнщейний (елемент 99), а за елемент 120 – мишена от фермий (елемент 100). Проблемът е, че ейнщейният се произвежда в микрограмови количества, а неговият полуживот е твърде кратък за практически експеримент, докато фермият изобщо не може да бъде натрупан в количество, достатъчно за направата на стабилна мишена.
Това налага преминаването към по-тежки снаряди – лъчи от титан-50 или хром-54. Но тук физиката ни изиграва лоша шега. Колкото по-голям е зарядът на бомбардиращото ядро, толкова по-силно е кулоновото отблъскване между него и ядрата на мишената. Вероятността за сливане (сечението на реакцията) пада главоломно – с няколко порядъка. Това означава, че ако при експериментите с калций-48 сме чакали по една седмица за един атом, то с титан-50 може да се наложи да чакаме месеци или дори години непрекъснато облъчване за едно-единствено регистрирано събитие.
Това е сериозна техническа бариера, която изисква десетки пъти по-интензивни снопове от ускорителя, което пък води до термично разрушаване на мишените. Проблемът е подробно разглеждан в редица трудове, включително в контекста на глобалните изследвания за устойчивост на материалите при екстремни радиационни натоварвания, където се вижда, че физическите граници на известните ни метални сплави са почти достигнати. Настоящите мишени, представляващи тънък слой от калифорний или кюрий, нанесен върху титаново фолио с дебелина под един микрон, просто се изпаряват, ако интензитетът на ускорителния сноп надвиши определен праг.
Технологичната пробойна между теорията и реалността на детектора
Интелектуална мъгла често обгръща и интерпретацията на самите резултати. Как всъщност разбираме, че сме създали нов елемент? Никой не го вижда в микроскоп, нито го претегля на везна. Детекторът записва поредица от енергии и времена на разпад – верига от алфа-частици, завършваща със спонтанно делене на по-леки осколки. Тези данни се сравняват с теоретичните модели на квантовата механика. Понякога обаче сигналите са двусмислени. Експерименталните детектори отчитат фонови шумове от космически лъчи или странични ядрени реакции, които лесно могат да бъдат интерпретирани погрешно.
Например, дълги години се водеха ожесточени спорове между лабораториите в Дубна, ГАМ (Дармщат, Германия) и Рикен (Вако, Япония) относно приоритета и достоверността на откриването на елементи като 113 (нихоний) и 115 (московий). Числата и радиовъглеродният или мас-спектрометричният анализ понякога показваха отклонения, които не се вписваха в стандартните модели. Японските учени изразходваха над десет години непрекъснати опити, за да получат само три вериги на разпад на елемент 113 чрез „студен“ ядрен синтез, докато в Дубна твърдяха, че са го получили много по-лесно чрез „горещ“ синтез като продукт от разпада на елемент 115. Този архив на научни спорове показва, че на границата на стабилността истината винаги е условна и изисква години на независими проверки.
В крайна сметка, стремежът към нови елементи не е просто борба за престиж или за правото да запишеш името си в таблицата на Менделеев. Това е скъп тест за границите на нашето разбиране за микросвета. Но докато технологията за охлаждане на мишените и интензитетът на ускорителните снопове не претърпят качествена еволюция, островът на стабилността ще остане просто красива математическа абстракция, погребана под планини от празни експериментални данни и изгорена електроенергия.
