Ein gerade eingeschalteter Teilchenbeschleuniger kann seltene Formen von Materie enthüllen

Ein paar hundert Fuß von unserem Sitzplatz entfernt befindet sich eine große Metallkammer, luftleer und mit Drähten bedeckt, die zur Steuerung der Instrumente darin benötigt werden. Ein Partikelstrahl durchquert lautlos mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit das Innere der Kammer, bis er auf ein festes Stück Materie trifft und seltene Isotope explodiert.

Das alles passiert in Anlage für seltene Isotopenstrahlen, oder FRIB, betrieben von der Michigan State University für das US Department of Energy, Office of Science. Ab Mai 2022 trafen sich nationale und internationale Wissenschaftlerteams an der MSU und begannen mit der Durchführung wissenschaftlicher Experimente am FRIB mit dem Ziel, neue Isotope zu erzeugen, zu isolieren und zu untersuchen. Die Experimente versprachen neue Einblicke in die grundlegende Natur des Universums.

Wir sind zwei Professoren Kernchemie Und die Kernphysik die seltene Isotope studieren. Isotope sind in gewissem Sinne unterschiedliche Geschmacksrichtungen eines Elements, die die gleiche Anzahl von Protonen in ihren Kernen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben.

Der Beschleuniger am FRIB begann mit niedriger Leistung, aber wenn er auf volle Leistung hochgefahren ist, wird er der leistungsstärkste Schwerionenbeschleuniger der Erde sein. Durch die Beschleunigung schwerer Ionen – Atome elektrisch geladener Elemente – wird FRIB es Wissenschaftlern wie uns ermöglichen, Tausende von Isotopen zu erzeugen und zu untersuchen, die noch nie zuvor gesehen wurden. Gemeinde ca 1.600 Nuklearwissenschaftler aus der ganzen Welt Er hatte ein Jahrzehnt darauf gewartet, mit der Wissenschaft zu beginnen, die sein neuer Teilchenbeschleuniger ermöglichte.

Das Erste Erfahrungen bei FRIB Es wird im Sommer 2022 fertiggestellt. Obwohl die Anlage derzeit nur mit einem Bruchteil ihrer vollen Stärke betrieben wird, haben mehrere wissenschaftliche Kollaborationen, die am FRIB arbeiten, bereits produziert und Entdecken Sie etwa 100 seltene Isotope. Diese frühen Ergebnisse helfen Forschern, etwas über einige der seltensten Physik im Universum zu lernen.

Seltene Isotope gelten als radioaktiv und zerfallen im Laufe der Zeit, weil sie Strahlung abgeben – hier als Streifen dargestellt, die von einem kleinen Stück Uran in der Mitte ausgehen.

Was ist ein seltenes Isotop?

Die Herstellung der meisten Isotope erfordert unglaublich viel Energie. In der Natur werden seltene schwere Isotope während des katastrophalen Todes sogenannter massereicher Sterne produziert Supernovae oder während Verschmelzung zweier Neutronensterne.

Mit bloßem Auge sehen und verhalten sich zwei Isotope eines beliebigen Elements gleich – alle Isotope des Elements Quecksilber sehen genauso aus wie das flüssige Metall, das in altmodischen Thermometern verwendet wird. Da die Kerne von Isotopen desselben Elements jedoch eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, unterscheiden sie sich in ihrer Lebensdauer, der Art der von ihnen emittierten Radioaktivität und in vielerlei anderer Hinsicht.

Einige Isotope sind beispielsweise stabil und zerfallen nicht oder geben keine Strahlung ab, sodass sie im Universum weit verbreitet sind. Andere Isotope desselben Elements können radioaktiv sein, sodass sie unweigerlich zerfallen, wenn sie in andere Elemente umgewandelt werden. Da Radioisotope mit der Zeit verschwinden, sind sie relativ selten.

Allerdings tritt nicht jeder Zerfall mit der gleichen Geschwindigkeit auf. Einige radioaktive Elemente – wie Kalium-40 – emittieren Partikel durch Zerfall mit einer so geringen Rate, dass eine kleine Menge des Isotops dies kann Es dauert Milliarden von Jahren. Andere, radioaktivere Isotope wie Magnesium-38 existieren nur für den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie in andere Elemente zerfallen. Kurzlebige Isotope halten definitionsgemäß nicht lange und sind im Universum selten. Wenn du es also studieren willst, musst du es selbst machen.

Isotopenbildung im Labor

während gerade ungefähr Es gibt 250 natürlich vorkommende Isotope auf der Erdesagen theoretische Modelle dies voraus 7.000 Isotope soll es in der Natur geben. Wissenschaftler haben Teilchenbeschleuniger verwendet, um zu produzieren, was um sie herum ist 3.000 dieser seltenen Isotope.

Der FRIB-Beschleuniger ist 500 Meter lang und besteht aus drei Teilen, die grob in Form einer Büroklammer gefaltet sind. In diesen Kammern befinden sich mehrere kryogene Vakuumkammern, die Ionen mit starken elektromagnetischen Impulsen abwechselnd ansaugen und ausstoßen. FRIB kann jedes natürlich vorkommende Isotop – ob es so leicht wie Sauerstoff oder so schwer wie Uran ist – auf nahezu beschleunigen Halbe Lichtgeschwindigkeit.

Um ein Radioisotop zu erzeugen, schlagen Sie diesen Ionenstrahl einfach auf ein festes Ziel, wie z. B. ein Stück Berylliummetall oder eine sich drehende Kohlenstoffscheibe.

Die Wirkung des Ionenstrahls auf das Fragmentierungsziel Es bricht den Kern des stabilen Isotops Es produziert mehrere hundert seltene Isotope gleichzeitig. Um interessante oder neuartige Isotope vom Rest zu isolieren, befindet sich zwischen Target und Sensor ein Separator. Partikel mit dem richtigen Impuls und der richtigen elektrischen Ladung werden durch den Separator geleitet, während der Rest absorbiert wird. nur Eine Teilmenge der gewünschten Analoga wird in vielen Instrumenten ankommen Gebaut, um die Partikelnatur zu überwachen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein bestimmtes Isotop während einer einzelnen Kollision bildet, kann sehr gering sein. Die Wahrscheinlichkeit, einige seltene exotische Isotope zu bilden, könnte in einer Größenordnung liegen 1 in Billiarde – Fast die gleichen Chancen auf den Gewinn aufeinanderfolgender Mega Millions-Jackpots. Aber die starken Ionenstrahlen, die FRIB verwendet, enthalten so viele Ionen und erzeugen so viele Kollisionen in einem einzigen Experiment, dass das Team vernünftigerweise erwarten konnte. Finden Sie selbst die seltensten Isotope. Der FRIB-Beschleuniger soll den Berechnungen zufolge dazu in der Lage sein Es produziert etwa 80 % aller Isotope.

Die ersten beiden wissenschaftlichen Experimente von FRIB

Ein multiinstitutionelles Team unter der Leitung von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory, des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der University of Tennessee, Knoxville (UTK), der Mississippi State University und der Florida State University sowie von Forschern der MSU hat mit der Durchführung der ersten begonnen Experiment in FRIB am 9. Mai 2022. Die Gruppe richtete einen Kalzium-48-Strahl – einen Kalziumkern mit 48 Neutronen anstelle der üblichen 20 – auf ein Beryllium-Target mit 1 Kilowatt Energie. Schon bei einem Viertel Prozent der Maximalleistung der Anlage von 400 Kilowatt gelangten etwa 40 verschiedene Isotope durch den Separator ins Innere Werkzeug.

Das FDSi-Instrument zeichnete auf, wann jedes Ion ankam, welches Isotop es war und wann es zerfiel. Anhand dieser Informationen leitete die Kollaboration die Halbwertszeiten der Isotope ab. Mannschaft schon berichteten über fünf bisher unbekannte Halbwertszeiten.

Das zweite FRIB-Experiment begann am 15. Juni 2022 unter der Leitung einer Zusammenarbeit von Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory, ORNL, UTK und MSU. Die Anlage beschleunigte einen Selen-82-Strahl und produzierte damit seltene Isotope der Elemente Scandium, Calcium und Kalium. Diese Isotope kommen häufig in Neutronensternen vor, und das Ziel des Experiments war es, die Art der Radioaktivität, die diese Isotope beim Zerfall abgeben, besser zu verstehen. Das Verständnis dieses Prozesses kann Licht ins Dunkel bringen Wie verlieren Neutronensterne Energie?.

Die ersten beiden Experimente von FRIB waren nur die Spitze des Eisbergs der Fähigkeiten dieser neuen Einrichtung. Das FRIB wird in den kommenden Jahren vier große Fragen der Kernphysik erforschen: Erstens, welche Eigenschaften haben Atomkerne mit einem großen Unterschied zwischen der Anzahl von Protonen und Neutronen? Zweitens, wie werden die Elemente im Universum gebildet? Drittens: Verstehen Physiker die grundlegenden Symmetrien des Universums, etwa warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt? Und schließlich, wie können Informationen aus seltenen Isotopen in Medizin, Industrie und nationaler Sicherheit angewendet werden?

Sean Ledeckaußerordentlicher Professor für Chemie, Michigan State University Und die Artemis SpiroProfessor für Kernphysik, Michigan State University

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