Egy új amerikai laboratórium olyan atomok másolatait készíti, amelyeket még nem rögzítettek a Földön | Részecskefizika

A széntől az uránig és az oxigéntől a vasig a kémiai elemek a minket körülvevő világ és a tágabb univerzum építőkövei. A fizikusok most azt remélik, hogy példátlan bepillantást nyerhetnek eredetükbe, amikor megnyílik egy új létesítmény, amely az atomok több ezer furcsa és instabil változatát hozza létre, amelyeket korábban még soha nem rögzítettek a Földön.

Az izotópoknak nevezett változatok tanulmányozásával azt remélik, hogy új betekintést nyerhetnek a létrejövő kölcsönhatásokba. A szupernóvák belsejében lévő elemek, valamint elméletek tesztelése az „erős erőről” – a természet négy alapvető erőjének egyikéről, amelyek a protonokat és a neutronokat összekapcsolják az atommagban. A létesítmény új analógokat is képes előállítani orvosi felhasználásra.

Az atomok protonokból, neutronokból és elektronokból állnak. A protonok száma határozza meg az atom kémiai viselkedését és azt, hogy melyik elemről van szó – pl. a szénnek mindig hat protonja van, arany 79 -, míg az azonos elem különböző neutronszámú atomjait izotópoknak nevezzük.

Mivel sok izotóp instabil és gyorsan bomlik – esetenként ezredmásodpercek alatt –, a tudósok a létezőnek vélt izotópoknak csak egy kis százalékát tanulmányozták.

„285 elemizotóp található a Földön, de úgy gondoljuk, hogy az elemeknek 10 000 izotópja van, még az uránnak is” – mondta Bradley Sherrill professzor, a Michigan állambeli Ritka Izotóp Sugarakat Létesítmény (FRIB) tudományos igazgatója. Az egyetem hivatalosan május 2-án nyílt meg. „A FRIB célja, hogy annyi hozzáférést biztosítson ehhez a hatalmas tájhoz más társaktól, amennyire a technológia lehetővé teszi.”

E „ritka izotópok” némelyike ​​az elemek képződése szempontjából kulcsfontosságú reakciókhoz vezethet, ezért tanulmányozásukkal a fizikusok azt remélik, hogy jobban megértik az univerzum kémiai történetét – beleértve azt is, hogyan jutottunk el idáig.

Feltételezik, hogy az elemek túlnyomó többsége szupernóvák belsejében keletkezett, de „sok esetben nem tudjuk, hogy mely csillagok milyen elemeket hoztak létre, mivel ezek a kölcsönhatások instabil izotópokat foglalnak magukban – olyan dolgokat, amelyeket nem tudunk könnyen megszerezni” – mondta a professzor. Gavin Lotay atomfizikus, a Surrey Egyetem, aki azt tervezi, hogy az új létesítményt a neutroncsillagok belsejében előforduló általános robbanások, úgynevezett röntgenkitörések vizsgálatára használja.

Egy másik cél az atommagok eléggé megértése ahhoz, hogy átfogó modellt dolgozhassunk ki róluk, amely új betekintést nyújthat a csillagok energiatermelésében játszott szerepükbe, vagy az atomerőművekben végbemenő reakciókba.

A létesítmény orvosilag hasznos analógokat is előállíthat. Az orvosok már most is használnak radioizotópokat a kisállat-vizsgálatokban és bizonyos típusú sugárterápiákban, de több izotóp felfedezése segíthet a diagnosztikai képalkotás javításában, vagy új módszereket kínálhat a daganatok felkutatására és elpusztítására.

Ezen izotópok előállításához a FRIB a fénysebesség felére gyorsítja fel az atommagok sugarát, és egy 450 méteres csőben küldi le, mielőtt egy célpontba zúzná, amely az atomok egy részét kisebb proton- és neutroncsoportokra bontja. Egy sor mágnes ezután kiszűri a kívánt izotópokat, és kísérleti helyiségekbe irányítja őket további tanulmányozás céljából.

„A másodperc milliomodrésze alatt kiválaszthatunk egy adott izotópot, és alávethetjük egy olyan kísérletnek, ahol [scientists] „Lefoghatjuk, és megfigyelhetjük a radioaktív bomlását, vagy felhasználhatjuk egy újabb nukleáris reakció előidézésére, és felhasználhatjuk a reakciótermékeket, hogy elmondjunk valamit az izotóp szerkezetéről” – mondta Sherrill.

Az első kísérletek során a lehető legnehezebb fluor, alumínium, magnézium és neon izotópokat készítenek, valamint a radioaktív bomlási sebességet hasonlítják össze a jelenlegi modellek által előre jelzettekkel. „Meglepő lenne, ha megfigyeléseink összhangban vannak azzal, amit vártunk” – mondta Cheryl. „Valószínűleg nem fognak egyetérteni, és akkor ezt a nézeteltérést felhasználjuk modelljeink fejlesztésére.”

Körülbelül egy hónappal később a FRIB kutatói azt tervezik, hogy megmérik a neutroncsillagokban – a világegyetem legsűrűbb objektumainak egyike – található izotópok radioaktív bomlását, hogy jobban megértsék viselkedésüket.

„Végre megvannak az eszközök, amelyek lehetővé teszik az emberek számára, hogy elvégezhessék azt a kutatást, amelyre 30 éve várnak” – mondta Cheryl. „Olyan ez, mint egy új, nagyobb távcsővel, amely minden eddiginél jobban belát az univerzumba – csak mi látunk messzebbre a nukleáris tájba, mint amennyire korábban tudtunk. Ha van egy ilyen műszered, ott van a potenciál a felfedezéshez.”