Ένα φημισμένο ρωσικό εργαστήριο προσπαθεί να ωθήσει τον περιοδικό πίνακα να ξεπεράσει τα όριά του και να αποκαλύψει νέα εξωτικά στοιχεία

ΝΤΟΥΜΠΝΑ, ΡΩΣΙΑ— Από ορισμένες οπτικές γωνίες, το Εργαστήριο Πυρηνικών Αντιδράσεων Flerov εδώ μοιάζει περισσότερο με συνεργείο αυτοκινήτων παρά με ένα θρυλικό επιστημονικό ινστιτούτο. Επιστήμονες με βρώμικες γαλάζιες ρόμπες τριγυρνούν ενώ μια αντλία λαδιού βγάζει ένα techno beat. Τα τραπέζια είναι διάσπαρτα με μπουλόνια και υγρά καθαρισμού, συμπεριλαμβανομένου ενός μπουκαλιού βότκας μισογεμάτο με αιθανόλη. Και τα ανταλλακτικά υπάρχουν παντού—κάδοι, ράφια, ολόκληροι τοίχοι γεμάτοι μέταλλο που κάθεται κάθε είδους ερειπωμένη.

Όλα αυτά εξυπηρετούν τους έξι επιταχυντές σωματιδίων του εργαστηρίου, μερικοί από τους οποίους μοιάζουν με τεράστιες μηχανικές κάμπιες, με δεκάδες πράσινα τμήματα του τρακτέρ να τυλίγονται σε ολόκληρα δωμάτια. Ή πολλά δωμάτια:Όταν ο εξοπλισμός δεν χωράει, οι ερευνητές ανοίγουν τρύπες στους τοίχους και περνούν πράγματα μέσα από το σκυρόδεμα. Το να δεις το σύνολο ενός γκαζιού απαιτεί κάποια σοβαρή γυμναστική , σκαλώνοντας επικίνδυνα απότομες σκάλες και αποφεύγοντας τα ανακόντα από κρεμαστά σύρματα. Οι σωλήνες που βυθίζετε κάτω από φέρουν προειδοποιητικά σημάδια που πρέπει να προσέχετε—όχι για το κεφάλι σας, αλλά για τον εξοπλισμό. Στο Flerov, τα σωματίδια έχουν το δικαίωμα διέλευσης.

Επάξια. Σε διάφορες επαναλήψεις, αυτοί οι επιταχυντές έχουν δημιουργήσει εννέα νέα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα κατά τον τελευταίο μισό αιώνα, συμπεριλαμβανομένων των πέντε βαρύτερων γνωστών στοιχείων, μέχρι τον αριθμό 118.

Ο άνθρωπος που ηγείται αυτής της εργασίας είναι ο φυσικός Γιούρι Ογκανέσιαν, ο οποίος βρίσκεται στο Flerov από τότε που ο Nikita Khrushchev υπέγραψε διαταγές το 1956 για την ίδρυση ενός μυστικού πυρηνικού εργαστηρίου στα δάση σημύδων εδώ, 2 ώρες βόρεια της Μόσχας. Ο Oganessian, 85, είναι ένας κοντός άνδρας με θαμνώδη λευκά μαλλιά του οποίου η φωνή τρίζει όταν ενθουσιάζεται. Ήθελε να σπουδάσει αρχιτεκτονική στο κολέγιο έως ότου ένας γραφειοκρατικός μπελάς τον παρέσυρε στη φυσική. Του λείπει ακόμα η πρώτη του αγάπη:"Χρειάζομαι πραγματικά κάτι οπτικό με την επιστήμη μου. Νιώθω αυτό το έλλειμμα."

Κατάλληλα, κανένας ζωντανός άνθρωπος δεν έχει διαμορφώσει την αρχιτεκτονική του περιοδικού πίνακα περισσότερο από αυτόν, γι' αυτό το στοιχείο 118 ονομάζεται oganesson. Και δεν έχει τελειώσει ακόμα. Για να προωθήσει περαιτέρω το τραπέζι, το εργαστήριο έχει κατασκευάσει μια νέα εγκατάσταση 60 εκατομμυρίων δολαρίων, που ονομάζεται Superheavy Element Factory (SHEF), η οποία θα αρχίσει να ψάχνει για το στοιχείο 119, 120 ή και τα δύο, αυτή την άνοιξη.

Μερικοί επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η εύρεση νέων στοιχείων δεν αξίζει τα χρήματα, ειδικά όταν αυτά τα άτομα είναι εγγενώς ασταθή και θα εξαφανιστούν σε μια στιγμή. «Προσωπικά δεν το βρίσκω συναρπαστικό, ως επιστήμονας, απλώς να παράγω περισσότερα βραχύβια στοιχεία», λέει ο Witold Nazarewicz, ένας φυσικός που μελετά την πυρηνική δομή στο Michigan State University στο East Lansing.

Αλλά για τους κυνηγούς στοιχείων, η ανταμοιβή είναι επιτακτική. Τα νέα στοιχεία θα επέκτειναν τον πίνακα - τώρα σε βάθος επτά σειρών - σε μια όγδοη σειρά, όπου ορισμένες θεωρίες προβλέπουν ότι θα εμφανιστούν εξωτικά χαρακτηριστικά. Τα στοιχεία αυτής της σειράς μπορεί ακόμη και να καταστρέψουν την ίδια την περιοδικότητα του πίνακα, επειδή οι χημικές και φυσικές ιδιότητες μπορεί να μην επαναλαμβάνονται πλέον σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η ώθηση περαιτέρω στην όγδοη σειρά θα μπορούσε επίσης να απαντήσει σε ερωτήσεις με τις οποίες οι επιστήμονες έχουν παλέψει από την εποχή του Ντμίτρι Μεντελέεφ:Πόσα στοιχεία υπάρχουν; Και πόσο μακριά φτάνει ο πίνακας;

Η απόφαση για την κατασκευή του SHEF ήταν κατά κάποιο τρόπο σκληρή. Εκτός από το υψηλό κόστος, η κατασκευή του «εργοστασίου» σήμαινε την εγκατάλειψη των παλιών επιταχυντών —που παρήγαγαν τόσα πολλά νέα στοιχεία— σε άλλα έργα. "Συναισθηματικά", λέει ο Oganessian, "δεν είναι εύκολο να πάρεις κάτι [εκτός σύνδεσης] που σου έδωσε πολλά. Αλλά δεν υπάρχει άλλος τρόπος να προχωρήσεις."

Το βαρύτερο στοιχείο που βρίσκεται σε οποιαδήποτε σημαντική ποσότητα στη φύση είναι το ουράνιο, με ατομικό αριθμό 92. (Ο ατομικός αριθμός αναφέρεται στον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου.) Πέρα από αυτό, οι επιστήμονες πρέπει να δημιουργήσουν νέα στοιχεία σε επιταχυντές, συνήθως συνθλίβοντας μια δέσμη ελαφρά άτομα σε στόχο βαρέων ατόμων. Κάθε τόσο, οι πυρήνες των ελαφρών και βαρέων ατόμων συγκρούονται και συντήκονται και γεννιέται ένα νέο στοιχείο. Η σύγκρουση με νέον (στοιχείο 10) σε ουράνιο, για παράδειγμα, παράγει νομπέλιο (102).

Αλλά οι πιθανότητες σύντηξης (και επιβίωσης) μειώνονται σημαντικά καθώς τα άτομα βαραίνουν, μεταξύ άλλων παραγόντων, λόγω της αυξημένης απώθησης μεταξύ των θετικά φορτισμένων πυρήνων. Επομένως, η δημιουργία των περισσότερων στοιχείων στο υπερβαρύ βασίλειο (πέραν των 104) απαιτεί ειδικά κόλπα. Ο Oganessian ανέπτυξε ένα στη δεκαετία του 1970:ψυχρή σύντηξη. Χωρίς να σχετίζεται με το περιβόητο έργο πυρηνικής ενέργειας της δεκαετίας του 1980, η ψυχρή σύντηξη του Oganessian περιλαμβάνει τη συνένωση ατόμων δέσμης και στόχου που είναι πιο παρόμοια σε μέγεθος από αυτά της παραδοσιακής κατασκευής στοιχείων. Και αντί να τα συντρίψουμε, «φέρνουμε δύο πυρήνες μαζί έτσι ώστε να είναι ένα «απαλό άγγιγμα»», λέει ο Oganessian. Αυτό είναι πιο δύσκολο από όσο ακούγεται, επειδή η δέσμη και οι πυρήνες στόχοι είναι και οι δύο θετικά φορτισμένοι και επομένως απωθούνται ο ένας τον άλλον. Τα εισερχόμενα άτομα χρειάζονται αρκετή ταχύτητα για να ξεπεράσουν αυτήν την απώθηση, αλλά όχι τόσο ώστε να διασπάσουν τον προκύπτοντα υπερβαρύ πυρήνα.

Δημιουργός στοιχείων

Μια ομάδα στο Κέντρο Έρευνας Βαρέων Ιόντων GSI Helmholtz στο Darmstadt της Γερμανίας τελειοποίησε την τεχνική του Oganessian και τη χρησιμοποίησε για να δημιουργήσει στοιχεία 107 έως 112. Αλλά η μέθοδος αντιμετώπισε περιορισμούς καθώς οι πιθανότητες σύντηξης και επιβίωσης μειώθηκαν κατακόρυφα. Ξεκινώντας το 2003, μια ομάδα στο Ινστιτούτο RIKEN στο Wako της Ιαπωνίας, προσπάθησε να χρησιμοποιήσει ψυχρή σύντηξη για να δημιουργήσει το στοιχείο 113, πυροδοτώντας ψευδάργυρο (στοιχείο 30) στο βισμούθιο (83). Πήραν ένα άτομο την επόμενη χρονιά και ένα άλλο το 2005, το οποίο γιόρτασαν στο δωμάτιο ελέγχου τους με ζητωκραυγές, μπύρες και σάκε.

Μετά άρχισε η αγωνία. Χρειαζόμενη ένα ακόμη άτομο για να επιβεβαιώσει την ανακάλυψη, η ομάδα RIKEN επανεξέτασε το πείραμα το 2006 και το 2007. Κανένα δεν εμφανίστηκε. Προσπάθησαν ξανά το 2008 και το 2009. Τίποτα. Μόλις το 2012 —7 χρόνια αργότερα— εντόπισαν άλλο. «Ειλικρινά, αισθανθήκαμε ότι δεν θα ήμασταν τυχεροί», θυμάται ο πυρηνικός χημικός της RIKEN, Hiromitsu Haba. «Μόνο ο Θεός ξέρει τις στατιστικές». Κανένα από τα άτομα δεν επέζησε για περισσότερο από 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν από τη διάσπαση.

Το να ξεπεράσουμε το 113 απαιτούσε μια διαφορετική προσέγγιση, τη θερμή σύντηξη, την οποία είχαν αναπτύξει οι επιστήμονες του Flerov στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Η θερμή σύντηξη χρησιμοποιεί ενέργειες υψηλότερης δέσμης και βασίζεται σε ένα ειδικό ισότοπο με μεγάλη περίσσεια νετρονίων, το ασβέστιο-48. (Τα νετρόνια σταθεροποιούν ένα υπερβαρύ άτομο αραιώνοντας την απωθητική δύναμη των πρωτονίων, η οποία διαφορετικά θα διέλυε τον πυρήνα.) Το ασβέστιο-48 είναι ακριβό—πρέπει να απομονωθεί επίπονα από φυσικές πηγές ασβεστίου—στα 250.000$ ανά γραμμάριο. Όμως η επένδυση απέδωσε. Ο RIKEN ίδρωσε για 9 χρόνια για να βρει τρία άτομα των 113. Η Dubna άρπαξε τόσα άτομα των 114 μέσα σε 6 μήνες, μια ανακάλυψη που ο Oganessian και οι συνεργάτες του γιόρτασαν στο δωμάτιο ελέγχου τους με ζητωκραυγές, μπύρες και σφηνάκια οινοπνευματωδών ποτών.

Σε εκείνο το σημείο, η παραγωγή των επόμενων υπερβαρέων ήταν σε μεγάλο βαθμό αριθμητική. Το ασβέστιο είναι το στοιχείο 20, και το ασβέστιο συν αμερίκιο (στοιχείο 95) έδωσε το στοιχείο 115. Το ασβέστιο συν κούριο (96) απέδωσε το στοιχείο 116, και ούτω καθεξής. Μέχρι το 2010, η Dubna —σε συνεργασία με επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια και στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί— είχε συμπληρώσει την έβδομη σειρά του περιοδικού πίνακα.

Μετά το 118 όμως τα πράγματα σταμάτησαν ξανά. Η σύντηξη απαιτεί αρκετά χιλιοστόγραμμα του στοιχείου-στόχου και η παραγωγή αρκετού αϊνσταϊνίου (στοιχείο 99) για την παραγωγή του στοιχείου 119 είναι αδύνατη με τη σημερινή τεχνολογία. Μερικοί ερευνητές πρότειναν την αντικατάσταση του ασβεστίου-48 με το τιτάνιο-50, το οποίο έχει άλλα δύο πρωτόνια, και στη συνέχεια την πυροδότηση του στα στοιχεία 97 και 98 για την παραγωγή 119 και 120, αντίστοιχα. Αλλά για τεχνικούς λόγους, η πιθανότητα σύντηξης είναι μόλις το ένα εικοστό υψηλότερη με το τιτάνιο όσο και με το ασβέστιο. Για τους περισσότερους επιταχυντές, αυτό ρίχνει τις πιθανότητες επιτυχίας στη σφαίρα των πειραμάτων του RIKEN για τη δημιουργία 113—Τα στατιστικά του Θεού από την αρχή.

Το SHEF κατασκευάστηκε για να ξεπεράσει αυτά τα εμπόδια. Σε αντίθεση με την αίσθηση γράσου πιθήκου των παλαιότερων επιταχυντών Flerov, το SHEF είναι παρθένο:Το περιτύλιγμα με φυσαλίδες εξακολουθεί να καλύπτει τα χερούλια των θυρών και προς το παρόν τα δάπεδα είναι πεντακάθαρα.

Συνολικά, το SHEF είναι μια συγχώνευση του μυαλού και του ευαίσθητου. Η δέσμη προέρχεται από μια πηγή ιόντων και έναν επιταχυντή που βρίσκεται δύο ορόφους ψηλά, μεγαλύτερη από μερικές ντάκες στην πόλη. Η πηγή ιόντων εκλύει 6 τρισεκατομμύρια άτομα ανά δευτερόλεπτο, 10 έως 20 φορές περισσότερα από άλλους επιταχυντές που παράγουν στοιχεία. Μετά από μερικές στροφές 90°—η πιο συμπαγής διάταξη σε στενό χώρο—η δέσμη πέφτει σε ένα τεράστιο κυκλότρον, του οποίου η ίδια η παρουσία εδώ είναι αξιοσημείωτη. Ο μαγνήτης των 1000 τόνων του κυκλοτρόνου κατασκευάστηκε το 2014 στο Kramatorsk της Ουκρανίας, κοντά στην πρώτη γραμμή του πρόσφατου πολέμου με τη Ρωσία, λέει ο Alexander Karpov, ένας φυσικός Flerov. Η πόλη υπέμεινε σφοδρούς βομβαρδισμούς και άλλες στρατιωτικές ενέργειες τότε και ο Karpov λέει ότι το προσωπικό του εργαστηρίου ήταν νευρικό ότι ο μαγνήτης θα καταστραφεί ή θα καταστραφεί.

Αφού επιταχύνει τη δέσμη περίπου στο ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός, το κυκλοτρόνιο την κατευθύνει προς το ευαίσθητο μέρος της λειτουργίας:μεταλλικά φύλλα λεπτής μικρομέτρου με άτομα-στόχους επιστρωμένα επάνω τους. Αυτά τα αλουμινόχαρτα είναι τοποθετημένα σε ένα δίσκο περίπου στο μέγεθος ενός CD, ο οποίος περιστρέφεται για να διατηρείται δροσερός. Αν δεν το έκανε, η δοκός θα άνοιγε μια τρύπα σε αυτό.

Εάν συμβεί σύντηξη, το προκύπτον υπερβαρύ άτομο διέρχεται μέσα από το φύλλο. Δυστυχώς, το φύλλο είναι τόσο λεπτό που γλιστρούν και σβώλοι άλλων σωματιδίων, παράγοντας μια χιονοθύελλα ξένου θορύβου. Τότε είναι που μπαίνει στο παιχνίδι ο διαχωριστής. Αποτελείται από πέντε μαγνήτες βαμμένους με το ίδιο έντονο κόκκινο όπως ένα πυροσβεστικό όχημα και συνολικά ζυγίζουν δύο φορές περισσότερο από έναν—64 τόνους. Παρά τον όγκο, οι μαγνήτες είναι ευθυγραμμισμένοι σε απόσταση 0,01 χιλιοστών και τα πεδία τους είναι αρκετά ακριβή ώστε να φιλτράρουν ελαφρύτερα άτομα, συμπεριλαμβανομένων σχεδόν όλων των ατόμων δέσμης, μετατρέποντάς τα σε μια συσκευή που ονομάζεται σκουπιδότοπο.

Ο διαχωριστής, όπως και η πηγή δέσμης, δίνει στο SHEF ένα πλεονέκτημα. Οι προηγούμενοι διαχωριστές ήταν συντονισμένοι σε υπερβαριά άτομα με στενό εύρος ταχύτητας, φορτίου και κατεύθυνσης. όσες παρέκκλιναν πάρα πολύ κατέληξαν στη χωματερή δοκών. Ο νέος διαχωριστής είναι πιο γενναιόδωρος, δίνοντας πέρασμα σε δύο έως τρεις φορές περισσότερα υπερβαριά άτομα.

Αφού περάσει το slalom μέσω του διαχωριστή, ένα άτομο φτάνει σε έναν ανιχνευτή πυριτίου-γερμανίου, ο οποίος καταγράφει τη θέση και την ώρα άφιξης του ατόμου και στη συνέχεια αρχίζει να το παρακολουθεί. Τα υπερβαριά άτομα διασπώνται εκπέμποντας μια σειρά από σωματίδια άλφα—δέσμες δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων. Η απελευθέρωση ενός άλφα αλλάζει την ταυτότητα του ατόμου:το στοιχείο 118 γίνεται 116, το οποίο γίνεται 114 και ούτω καθεξής.

Αυτή η αλυσίδα αποσύνθεσης είναι που επιτρέπει στους επιστήμονες να προσδιορίσουν, αναδρομικά, ποιο στοιχείο δημιούργησαν. Κάθε σωματίδιο άλφα στην αλυσίδα πετάει με μια χαρακτηριστική ενέργεια. Έτσι, αν ο ανιχνευτής εντοπίσει ένα άλφα με τη σωστή ενέργεια—και, κυρίως, δει ότι αναδύθηκε από το ίδιο σημείο του ανιχνευτή όπου μόλις προσγειώθηκε ένα υπερβαρύ άτομο— αρχίζει να παρακολουθεί προσεκτικά για περισσότερα άλφα.

Για να διευκολυνθεί αυτή η αναζήτηση, ο ανιχνευτής κλείνει αυτόματα τη δέσμη κυκλοτρονίων για να μειώσει την ποσότητα του κρούστα που πετά γύρω. Το κλείσιμο προκαλεί επίσης ένα δυνατό ηχητικό σήμα στο δωμάτιο ελέγχου του SHEF, όπου θα κάθονται μερικοί πιθανώς βαριεστημένοι επιστήμονες. (Σε μια πρόσφατη επίσκεψη σε μια άλλη αίθουσα ελέγχου εδώ, δύο μεταπτυχιακοί φοιτητές παρακολουθούσαν μια ταινία τέρας επιστημονικής φαντασίας.) Το κουδούνι είναι μια στιγμή ενθουσιασμού μέσα στη μονοτονία.

Είναι επίσης περιττό. Μέσα στον ανιχνευτή, το άτομο θα συνεχίσει να ρίχνει άλφα:Στην πραγματικότητα, αρκετά γεγονότα στην αλυσίδα διάσπασης θα έχουν ήδη συμβεί πριν καν οι επιστήμονες καταγράψουν τον ήχο. Με τα υπερβαριά, είναι δύσκολο να έρθει, εύκολο. Μόνο αργότερα—όταν οι επιστήμονες χτενίσουν τα ακατέργαστα δεδομένα και αντιστοιχίσουν κάθε ανιχνευμένο σωματίδιο άλφα με ένα συγκεκριμένο στοιχείο στην αλυσίδα αποσύνθεσης—μπορούν να ανακατασκευάσουν ποιο στοιχείο δημιούργησαν αρχικά.

Η ισχυρότερη δέσμη και ο πιο γενναιόδωρος διαχωριστής θα πρέπει, θεωρητικά, να ακυρώσουν τις χαμηλότερες πιθανότητες σύντηξης τιτανίου-50. Αυτό δίνει στην ομάδα Dubna ελπίδα ότι τα άτομα 119 ή 120 θα αποκαλυφθούν σύντομα. Μια ομάδα στο RIKEN αναζητά επίσης το 119, αν και χρησιμοποιώντας μια διαφορετική και ίσως πιο σκληρή μέθοδο (πυροδότηση βαναδίου, στοιχείο 23, σε κούριο). Μεταξύ των δύο εργαστηρίων, οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι το 119 και το 120 θα εμφανιστούν κάπου μέσα σε περίπου 5 χρόνια.

Αν κοιτάξετε πίσω για αρκετές δεκαετίες, οι άνθρωποι έχουν δημιουργήσει περίπου ένα νέο στοιχείο ίσως κάθε 3 χρόνια—μέχρι τώρα.

• Pekka Pyykkö, Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι

Είναι τα επόμενα 5 χρόνια που ανησυχούν τους ανθρώπους. Η δημιουργία στοιχείων βαρύτερα από 120 μπορεί να είναι αδύνατη με τη θερμή σύντηξη. Η ανίχνευσή τους θα είναι εξίσου δύσκολη:Εάν οι αναμενόμενες διάρκειες ζωής πέσει πολύ χαμηλά, τα άτομα ενδέχεται να μην επιβιώσουν στο ταξίδι του 1 μικροδευτερολέπτου μέσω του διαχωριστή. Αντίθετα, θα μπορούσαν να διασπαστούν στη μέση της πτήσης—άτομα φαντάσματα που εξαφανίζονται χωρίς ίχνος.

Η μετακίνηση πέραν των 120, λοιπόν, πιθανότατα θα απαιτήσει νέες προσεγγίσεις. Οι "αντιδράσεις μεταφοράς πολυνουκλεονίων" θα περιελάμβαναν την πυροδότηση, ας πούμε, ουρανίου πάνω στο κούριο σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες - ένα άλλο "μαλακό άγγιγμα". Οι πυρήνες τους δεν θα συντήκονταν εντελώς, αλλά ένα κομμάτι του ενός μπορεί να σπάσει και να σκοτωθεί στο άλλο. Ανάλογα με το μέγεθος του κομματιού, οι επιστήμονες θα μπορούσαν ακόμη και να πηδήξουν σε πολύ υψηλότερους αριθμούς στοιχείων αντί να κάνουν ίντσες κατά μήκος ενός ατομικού αριθμού τη φορά.

Ωστόσο, τέτοιες μέθοδοι παραμένουν αναπόδεικτες. «Στους επιστήμονες βαρέων στοιχείων αρέσει να εργάζονται ένα κομμάτι τη φορά», λέει η Τζάκλιν Γκέιτς, επικεφαλής της ομάδας βαρέων στοιχείων στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. Και πολύ πέρα ​​από τα 120, λέει, "Δεν ξέρουμε αρκετά για να ξέρουμε τι να ψάξουμε - τι χρόνο ημιζωής να αναζητήσουμε, ποιες ιδιότητες αποσύνθεσης να αναζητήσουμε."

Δεδομένων αυτών των δυσκολιών, ορισμένοι επιστήμονες προτείνουν επιταχυντές χαντάκωσης. Σε μια προσέγγιση, οι πυρηνικές εκρήξεις χαμηλής ισχύος θα προκαλούσαν αντιδράσεις σύντηξης στα άτομα-στόχους. Αυτό δεν είναι τόσο τρελό όσο ακούγεται:Τα στοιχεία 99 και 100 εντοπίστηκαν για πρώτη φορά στις συνέπειες των δοκιμών ατμοσφαιρικής ατομικής βόμβας. Παρόλα αυτά, οι περισσότεροι επιστήμονες είναι δύσπιστοι για αυτήν την προσέγγιση, δεδομένων των προφανών κινδύνων από την ακτινοβολία και της σύντομης διάρκειας ζωής των υπερβαρέων ατόμων, τα οποία μπορεί να λήξουν προτού να μπορέσουν να κοσκινιστούν από τα πυρηνικά συντρίμμια.

Άλλοι επιστήμονες προτείνουν την εύρεση νέων στοιχείων με τον παλιομοδίτικο τρόπο:κυνηγώντας τα στη φύση. Αυτό ήταν στην πραγματικότητα ένα δημοφιλές χόμπι πριν από μερικές δεκαετίες, καθώς οι φυσικοί έψαχναν τις κοσμικές ακτίνες, τους μετεωρίτες, τους βράχους του φεγγαριού, ακόμη και τα αρχαία δόντια καρχαρία για να βρουν υπερβαριά. Τίποτα δεν προέκυψε ποτέ από αυτά τα έργα. Σήμερα, η εστίαση έχει μετατοπιστεί σε εκρήξεις σουπερνόβα και ανώμαλα αστέρια όπως το άστρο του Przybylski, του οποίου το φάσμα δείχνει σημάδια αϊνστάινιου, το οποίο διαφορετικά δεν βρίσκεται ποτέ στη φύση. Ίσως το καυτό, πυκνό εσωτερικό του αστεριού να φιλοξενεί ακόμη πιο βαριά στοιχεία.

Ωστόσο, δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι υπάρχουν υπερβαριά στοιχεία στη φύση. Και η μακρά περίοδος ξηρασίας —δεν έχουν δημιουργηθεί νέα στοιχεία από το 2010— ανησυχεί ορισμένους ερευνητές.

«Αν κοιτάξετε πίσω για αρκετές δεκαετίες», λέει ο Pekka Pyykkö, θεωρητικός χημικός στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι, «οι άνθρωποι έχουν φτιάξει περίπου ένα νέο στοιχείο ίσως κάθε 3 χρόνια—μέχρι τώρα». Η σημερινή άγονη κατάσταση θα μπορούσε να είναι το νέο φυσιολογικό.

Συμπλήρωση του πίνακα

Ακόμα κι αν οι επιστήμονες μπορούν να ξεπεράσουν την τεχνική πρόκληση της δημιουργίας νέων στοιχείων, παραμένουν άλλα ερωτήματα:Πόσα στοιχεία μπορούν να υπάρχουν, έστω και υποθετικά; Πόσο μακριά θα μπορούσε να φτάσει ο περιοδικός πίνακας;

Μια εξέχουσα θεωρία προβλέπει ένα τέλος στο στοιχείο 172. Κανείς δεν ξέρει τι θα συμβεί πάνω από αυτό το σημείο, αλλά για λόγους κβαντομηχανικής, ο πυρήνας ενός ατόμου μπορεί να αρχίσει να καταβροχθίζει ηλεκτρόνια και να τα συντήκει με πρωτόνια, παράγοντας νετρόνια ως υποπροϊόν. Αυτή η διαδικασία θα συνεχιζόταν έως ότου ο αριθμός των πρωτονίων έπεφτε πίσω στο 172, παρέχοντας ένα σκληρό καπάκι στον ατομικό αριθμό. (Και αν αυτό ακούγεται περίεργο, λοιπόν, αυτό είναι η κβαντική μηχανική.)

Άλλες έρευνες δείχνουν ότι τα στοιχεία θα εξαντληθούν πολύ πριν τα 172. Καθώς οι πυρήνες μεγαλώνουν, η απωστική δύναμη μεταξύ των πρωτονίων γίνεται συντριπτική. Κατά γενική συναίνεση, ένας πυρήνας πρέπει να επιβιώσει για τουλάχιστον 10 δευτερόλεπτα για να μετρηθεί ως νέο στοιχείο. Δεδομένου του πόσο εύθραυστα είναι ήδη τα στοιχεία του 110, τα βαρύτερα στοιχεία μπορεί να δυσκολεύονται να κρατήσουν ακόμα και τόσο πολύ. Μερικοί επιστήμονες προβλέπουν ότι οι πυρήνες μπορούν να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα συστρέφοντας σε εξωτικά σχήματα—κούφιες φυσαλίδες ή ακόμα και δικτυωτές μπάλες. Αλλά άλλοι επιστήμονες αμφιβάλλουν ότι αυτά τα σχήματα είναι σταθερά.

Το οποίο είναι κρίμα, γιατί συναρπαστικά πράγματα θα μπορούσαν να συμβούν στη δεκαετία του 130 ή του 140. Συγκεκριμένα, το sine qua non του περιοδικού πίνακα —η περιοδικότητά του— θα μπορούσε να καταρρεύσει εντελώς.

Γενικά, όλα τα στοιχεία στην ίδια στήλη του πίνακα έχουν παρόμοιες χημικές και φυσικές ιδιότητες. Αλλά αυτή η τάση μπορεί να μην ισχύει για πάντα. Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο κατάφεραν να διερευνήσουν τις ιδιότητες μεμονωμένων υπερβαρέων ατόμων μελετώντας πώς προσκολλώνται σε διαφορετικά υλικά. Και η συσχέτιση μεταξύ στηλών και της χημικής συμπεριφοράς φαίνεται να καταρρέει ήδη στη δεκαετία του 110.

Το στοιχείο 114, για παράδειγμα, δρα σαν αέριο σε θερμοκρασία δωματίου, παρόλο που το στοιχείο πάνω από αυτό, ο μόλυβδος, είναι περίπου η πιο αέρια ουσία που μπορεί να φανταστεί κανείς. Ομοίως, αν και το στοιχείο 118 πέφτει στη στήλη ευγενούς αερίου, η θεωρία προβλέπει ότι θα προσελκύσει εύκολα ηλεκτρόνια - κάτι που κανένα άλλο ευγενές αέριο δεν κάνει. Αυτές οι ανωμαλίες προκύπτουν λόγω σχετικιστικών επιπτώσεων:Το υψηλό, συγκεντρωμένο φορτίο ενός υπερβαρύ πυρήνα παραμορφώνει τις τροχιές των γύρω ηλεκτρονίων, γεγονός που επηρεάζει τον τρόπο συμπεριφοράς και σχηματισμού δεσμών.

Όπως λέει ο Χάμπα, «Οι χημικές ιδιότητες των υπερβαρέων στοιχείων είναι πολύ μοναδικές και δεν μπορούμε απλά να κάνουμε παρέκταση». Και παρόλο που το 114 και το 118 φαίνεται να αποκλίνουν ελάχιστα από τις προσδοκίες, ακόμη και βαρύτερα στοιχεία θα μπορούσαν να έχουν απίστευτα απροσδόκητες ιδιότητες, επειδή τα σχετικιστικά φαινόμενα θα μεγαλώνουν μόνο όσο τα στοιχεία παίρνουν βάρος. Πού πρέπει λοιπόν να πάνε τα ανώμαλα στοιχεία; Στη στήλη όπου οι ατομικοί τους αριθμοί λένε ότι πρέπει να πηγαίνουν ή σε μια στήλη με στοιχεία παρόμοιων ιδιοτήτων;

Η απάντηση εξαρτάται από το ποιον ρωτάς. Για ορισμένους επιστήμονες, ο πίνακας αφορά κυρίως την υποκείμενη ατομική δομή και όχι τη χημική συμπεριφορά. Επομένως δεν επιτρέπονται αποκλίσεις. Άλλοι ερευνητές είναι πιο πραγματιστές. "Ο περιοδικός πίνακας είναι πιο χρήσιμος για να μου πει ποια είναι η χημεία ενός στοιχείου, οπότε θα επιχειρηματολογούσα να το αλλάξω", λέει ο Gates.

Ο Pyykkö έχει ωθήσει την ιδέα των ανώμαλων στοιχείων στα άκρα, υπολογίζοντας τις θεωρητικές ιδιότητες για όλα τα στοιχεία μέσω του 172 και τακτοποιώντας τα σε έναν φουτουριστικό πίνακα. Το αποτέλεσμα είναι τρομακτικό:Σε ένα σημείο, η ακολουθία των ατομικών αριθμών μεταπηδά προς τα πίσω από το 164 στο 139 και το 140 πριν προχωρήσει στο 169 (βλ. πίνακα, αριστερά). Το περίεργο τραπέζι κρέμεται τώρα στον τοίχο του γραφείου του. "Όταν κάνω ομιλίες", λέει, "συνήθως αστειεύομαι ότι αυτός ο περιοδικός πίνακας θα πρέπει να είναι αρκετός για τον υπόλοιπο αιώνα."

Πέρα από τους διαχωρισμούς σχετικά με τη δομή του τραπεζιού, υπάρχει μια βαθύτερη ρήξη μεταξύ των ανθρώπων που πιστεύουν ότι η αναζήτηση νέων στοιχείων αξίζει τον κόπο και εκείνων που πιστεύουν ότι είναι χάσιμο χρόνου και πόρων. Η Γκέιτς εκφράζει τον σκεπτικισμό της:"Για τα στοιχεία 119 ή 120, με την τρέχουσα τεχνολογία μας, εξετάζετε χρόνια χρόνου δέσμης δυνητικά για ένα άτομο—και τι σας λέει αυτό;"

Ωστόσο, καταλαβαίνει γιατί ορισμένα εργαστήρια επιδιώκουν νέα στοιχεία:"Ένα νέο στοιχείο είναι αυτό που κάνει τους ανθρώπους να ενδιαφέρονται. … Και σας βοηθά να λάβετε χρηματοδότηση. Απλώς δεν νομίζω ότι η επιστήμη είναι αυτή που οδηγεί τα πειράματα. Είναι η πολιτική." Πράγματι, η 9ετής αναζήτηση του στοιχείου 113 της RIKEN είχε ως αποτέλεσμα μια ωραία ενίσχυση του προϋπολογισμού. Και επειδή το 113 ήταν το πρώτο στοιχείο που δημιουργήθηκε στην Ασία, οι επιστήμονες έγιναν λαϊκοί ήρωες στην Ιαπωνία. Κάποιος δημοσίευσε ακόμη και ένα manga κόμικ για τη δουλειά τους.

Οι επιστήμονες της Dubna υποστηρίζουν ότι το έργο τους δεν είναι απλό κυνήγι τροπαίων. Ο Karpov—ο οποίος έχει τέσσερα αθλητικά μπουφάν και φοράει διαφορετική καρφίτσα ρωσικού θέματος στο καθένα (dubnium, flerovium, moscovium και oganesson)— λέει ότι η δημιουργία νέων στοιχείων μπορεί να επαληθεύσει θεωρητικές προβλέψεις σχετικά με τον χρόνο ημιζωής τους και άλλες ιδιότητες.

Αυτός και οι συνάδελφοί του θα προσπαθήσουν επίσης, κατά τη διάρκεια ορισμένων πειραματικών δοκιμών, να προσθέσουν νετρόνια σε υπάρχοντα υπερβαριά στοιχεία και να παράγουν εκδόσεις τους με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ο Nazarewicz, σκεπτικιστής για τη δημιουργία νέων στοιχείων, βλέπει την αξία σε αυτό. «Θα ήθελα να γίνουμε πιο σταθεροί», λέει. Η ενασχόληση με τα υπάρχοντα στοιχεία θα μπορούσε ακόμη και να επιτρέψει στους επιστήμονες να φτάσουν στο νησί της σταθερότητας - μια υποτιθέμενη περιοχή μακροβίων υπερβαρέων στοιχείων - και να μελετήσουν τις ιδιότητες αυτών των στοιχείων. Αν μη τι άλλο, οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή νέων στοιχείων μπορούν να βοηθήσουν στην παραγωγή ραδιοϊσοτόπων για ιατρική και να ελέγξουν πόσο καλά αντέχουν τα δορυφορικά στοιχεία σε βομβαρδισμούς από σωματίδια.

Τελικά, όμως, η αναζήτηση νέων στοιχείων είναι η δική της ανταμοιβή—l'art pour l'art . "Υπάρχει μεγαλείο στην αύξηση του αριθμού των πρωτονίων", λέει ο Karpov. «Είναι φυσικό να φτάσεις σε ένα όριο» και να προσπαθήσεις να το ξεπεράσεις. Επιπλέον, λέει με ένα χαμόγελο, με την καρφίτσα του από το πέτο να αστράφτει, "μερικές φορές είναι καλό να πεις ότι έκανες κάτι πρώτος."