Nowe laboratorium w USA tworzy kopie atomów, które nie zostały zarejestrowane na Ziemi | Fizyka cząsteczek

Od węgla po uran i od tlenu po żelazo, pierwiastki chemiczne są budulcem otaczającego nas świata i szerszego wszechświata. Teraz fizycy mają nadzieję na bezprecedensowy wgląd w ich pochodzenie, otwierając nowy obiekt, który stworzy tysiące dziwnych i niestabilnych wersji atomów, które nigdy wcześniej nie zostały zarejestrowane na Ziemi.

Badając te wersje, znane jako izotopy, mają nadzieję uzyskać nowy wgląd w interakcje, które stworzyły Elementy wewnątrz supernowych, a także testowanie teorii na temat „siły silnej” – jednej z czterech podstawowych sił występujących w naturze, które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomu. Zakład może również produkować nowe analogi do użytku medycznego.

Atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Liczba protonów decyduje o chemicznym zachowaniu atomu i o tym, który to pierwiastek – np. węgiel ma zawsze sześć protonów, złoto 79 – podczas gdy atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami.

Ponieważ wiele izotopów jest niestabilnych i szybko się rozpada — czasami w ciągu milisekund — naukowcy zbadali tylko niewielki procent tych izotopów, o których sądzi się, że istnieją.

„Na Ziemi znaleziono 285 izotopów pierwiastków, ale uważamy, że prawdopodobnie jest 10 000 izotopów pierwiastków, nawet uranu” – powiedział profesor Bradley Sherrill, dyrektor naukowy ośrodka Rare Isotope Rays Facility (FRIB) w stanie Michigan. Uczelnia została oficjalnie otwarta 2 maja. „Celem FRIB jest zapewnienie jak największego dostępu do tego rozległego krajobrazu innym rówieśnikom, na ile pozwala technologia”.

Niektóre z tych „rzadkich izotopów” mogą prowadzić do reakcji kluczowych dla formowania się pierwiastków, więc badając je, fizycy mają nadzieję na lepsze zrozumienie chemicznej historii wszechświata – w tym sposobu, w jaki się tu dostaliśmy.

Uważa się, że zdecydowana większość pierwiastków powstała wewnątrz supernowych, ale „w wielu przypadkach nie wiemy, które gwiazdy stworzyły które pierwiastki, ponieważ te interakcje obejmują niestabilne izotopy – rzeczy, których nie możemy łatwo zdobyć” – powiedział profesor. Gavin Lotay, fizyk jądrowy z University of Surrey, który planuje wykorzystać nowy obiekt do badania powszechnych eksplozji zwanych rozbłyskami rentgenowskimi wewnątrz gwiazd neutronowych.

Innym celem jest zrozumienie jąder atomowych na tyle dobrze, aby opracować ich kompleksowy model, który może dostarczyć nowych informacji na temat roli, jaką odgrywają w generowaniu energii dla gwiazd lub reakcji zachodzących w elektrowniach jądrowych.

Placówka może również produkować analogi przydatne medycznie. Lekarze już stosują radioizotopy w badaniach zwierząt domowych i niektórych rodzajach radioterapii, ale odkrywanie większej liczby izotopów może pomóc w ulepszeniu obrazowania diagnostycznego lub zapewnić nowe sposoby znajdowania i niszczenia guzów.

Aby wygenerować te izotopy, FRIB przyspieszy wiązkę jąder atomowych do połowy prędkości światła i wyśle ​​ją w dół 450-metrowej rury, zanim rozbije ją na cel, który rozbija niektóre atomy na mniejsze grupy protonów i neutronów. Seria magnesów odfiltruje następnie pożądane izotopy i skieruje je do pomieszczeń doświadczalnych w celu dalszych badań.

„W ciągu jednej milionowej sekundy możemy wybrać konkretny izotop i poddać go eksperymentowi, w którym [scientists] „Możemy go uchwycić i obserwować jego radioaktywny rozpad lub możemy użyć go do wywołania kolejnej reakcji jądrowej i użyć tych produktów reakcji, aby powiedzieć nam coś o strukturze izotopu” – powiedział Sherrill.

Pierwsze eksperymenty obejmą wytwarzanie najcięższych możliwych izotopów fluoru, glinu, magnezu i neonu oraz porównanie szybkości rozpadu radioaktywnego z przewidywanymi przez obecne modele. „Byłoby niespodzianką, gdyby nasze obserwacje były zgodne z naszymi oczekiwaniami” – powiedziała Cheryl. „Prawdopodobnie się nie zgodzą, a potem wykorzystamy ten spór, aby ulepszyć nasze modele”.

Około miesiąc później badacze FRIB planują zmierzyć radioaktywny rozpad izotopów, które, jak się uważa, istnieją w gwiazdach neutronowych – jednych z najgęstszych obiektów we wszechświecie, które powstają, gdy masywna gwiazda zabrakło paliwa i zapadła się – aby lepiej zrozumieć ich zachowanie.

„Wreszcie mamy narzędzia, które umożliwiają ludziom prowadzenie badań, na które czekali 30 lat” – powiedziała Cheryl. „To jak posiadanie nowego, większego teleskopu, który może zajrzeć we Wszechświat lepiej niż kiedykolwiek wcześniej – tylko my zobaczymy głębiej w krajobraz nuklearny, niż byliśmy w stanie zajrzeć wcześniej. Za każdym razem, gdy masz taki nowy instrument, istnieje potencjał do odkrycia.”