Een nieuw Amerikaans laboratorium maakt kopieën van atomen die niet op aarde zijn vastgelegd | Deeltjesfysica

Van koolstof tot uranium, en van zuurstof tot ijzer, de chemische elementen zijn de bouwstenen van de wereld om ons heen en het wijdere universum. Nu hopen natuurkundigen een ongekende blik te werpen op hun oorsprong, met de opening van een nieuwe faciliteit die duizenden vreemde en onstabiele versies van atomen zal creëren die nog nooit eerder op aarde zijn vastgelegd.

Door deze versies, ook wel isotopen genoemd, te bestuderen, hopen ze nieuwe inzichten te krijgen in de interacties die zijn ontstaan Elementen binnen supernova’s, evenals het testen van theorieën over de “sterke kracht” – een van de vier fundamentele krachten in de natuur, die protonen en neutronen samenbinden in de kern van een atoom. De faciliteit kan ook nieuwe analogen produceren voor medisch gebruik.

Atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. Het aantal protonen bepaalt het chemische gedrag van een atoom en welk element het is – bijvoorbeeld koolstof heeft altijd zes protonen, goud 79 – terwijl atomen van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen isotopen worden genoemd.

Omdat veel isotopen onstabiel zijn en snel vervallen – soms in milliseconden – hebben wetenschappers slechts een klein percentage van die isotopen bestudeerd waarvan wordt aangenomen dat ze bestaan.

“Er zijn 285 isotopen van elementen op aarde gevonden, maar we denken dat er waarschijnlijk 10.000 isotopen zijn van elementen, zelfs van uranium”, zegt professor Bradley Sherrill, wetenschappelijk directeur van de Rare Isotope Rays Facility (FRIB) in de staat Michigan. Op 2 mei is de universiteit officieel geopend. “Het doel van FRIB is om zoveel mogelijk toegang te bieden tot dit uitgestrekte landschap van andere peers als de technologie toelaat.”

Sommige van deze “zeldzame isotopen” kunnen leiden tot reacties die cruciaal zijn voor de vorming van de elementen, dus door ze te bestuderen hopen natuurkundigen een beter begrip te krijgen van de chemische geschiedenis van het universum – inclusief hoe we hier zijn gekomen.

Men denkt dat de overgrote meerderheid van de elementen is ontstaan ​​in supernovae, maar “in veel gevallen weten we niet welke sterren welke elementen hebben gecreëerd, omdat deze interacties onstabiele isotopen met zich meebrengen – dingen die we niet gemakkelijk te pakken kunnen krijgen”, zei professor Gavin Lotay, een kernfysicus van de Universiteit van Surrey, die van plan is de nieuwe faciliteit te gebruiken om veelvoorkomende explosies, de zogenaamde röntgenuitbarstingen, in neutronensterren te onderzoeken.

Een ander doel is om atoomkernen goed genoeg te begrijpen om er een alomvattend model van te ontwikkelen, dat nieuwe inzichten kan opleveren in de rol die ze spelen bij de opwekking van energie voor sterren, of de reacties die plaatsvinden binnen kerncentrales.

De faciliteit kan ook medisch bruikbare analogen produceren. Artsen gebruiken radio-isotopen al bij onderzoeken bij huisdieren en bij sommige soorten radiotherapie, maar het ontdekken van meer isotopen kan de diagnostische beeldvorming helpen verbeteren of nieuwe manieren bieden om tumoren te vinden en te vernietigen.

Om deze isotopen te genereren, zal FRIB een bundel atoomkernen versnellen tot de helft van de lichtsnelheid en deze door een 450 meter lange buis naar beneden sturen, voordat deze in een doelwit wordt geslagen dat een deel van de atomen uiteenvalt in kleinere groepen protonen en neutronen. Een reeks magneten zal dan de gewenste isotopen uitfilteren en ze naar experimentele kamers leiden voor verder onderzoek.

“Binnen een miljoenste van een seconde kunnen we een specifieke isotoop selecteren en onderwerpen aan een experiment waarbij [scientists] “We kunnen het vangen en het radioactieve verval ervan bekijken, of we kunnen het gebruiken om een ​​nieuwe nucleaire reactie op te wekken en die reactieproducten gebruiken om ons iets te vertellen over de structuur van de isotoop,” zei Sherrill.

De eerste experimenten omvatten het maken van de zwaarst mogelijke isotopen van fluor, aluminium, magnesium en neon, en het vergelijken van radioactieve vervalsnelheden met die voorspeld door huidige modellen. “Het zou een verrassing zijn als onze waarnemingen in overeenstemming waren met wat we hadden verwacht,” zei Cheryl. “Ze zullen het waarschijnlijk niet eens zijn, en dan zullen we die onenigheid gebruiken om onze modellen te verbeteren.”

Ongeveer een maand later zijn FRIB-onderzoekers van plan om het radioactieve verval te meten van isotopen waarvan wordt aangenomen dat ze bestaan ​​in neutronensterren – enkele van de dichtste objecten in het universum, gevormd toen een massieve ster geen brandstof meer had en instortte – om hun gedrag beter te begrijpen.

“Eindelijk hebben we de tools om mensen in staat te stellen het onderzoek te doen waar ze 30 jaar op hebben gewacht”, zei Cheryl. “Het is alsof je een nieuwe, grotere telescoop hebt die meer dan ooit tevoren in het universum kan kijken – alleen zullen we verder in het nucleaire landschap kijken dan we voorheen konden kijken. Wanneer je zo’n nieuw instrument hebt, is er potentieel voor ontdekking.”