Нова лаборатория в САЩ създава копия на атоми, които не са записани на Земята | Физика на елементарните частици

От въглерод до уран и от кислород до желязо, химическите елементи са градивните елементи на света около нас и на по-широката вселена. Сега физиците се надяват да получат безпрецедентен поглед върху техния произход с откриването на ново съоръжение, което ще създаде хиляди странни и нестабилни версии на атоми, които никога досега не са били записани на Земята.

Изучавайки тези версии, известни като изотопи, те се надяват да получат нови прозрения за взаимодействията, които създават Елементи вътре в свръхновите, както и тестване на теории за „силната сила“ – една от четирите фундаментални сили в природата, които свързват протоните и неутроните заедно в ядрото на атома. Съоръжението може да произвежда и нови аналози за медицинска употреба.

Атомите са изградени от протони, неутрони и електрони. Броят на протоните определя химичното поведение на атома и кой елемент е той – например въглеродът винаги има шест протона, златото 79 – докато атомите на един и същи елемент с различен брой неутрони се наричат ​​изотопи.

Тъй като много изотопи са нестабилни и се разпадат бързо – понякога за милисекунди – учените са изследвали само малък процент от тези изотопи, за които се смята, че съществуват.

„Има 285 изотопа на елементи, открити на Земята, но ние смятаме, че вероятно има 10 000 изотопа на елементи, дори уран“, каза професор Брадли Шерил, научен директор на Съоръжението за редки изотопни лъчи (FRIB) в щата Мичиган. Университетът официално отвори врати на 2 май. „Целта на FRIB е да осигури толкова достъп до този огромен пейзаж от други партньори, колкото позволява технологията.

Някои от тези „редки изотопи“ могат да доведат до реакции, които са от решаващо значение за образуването на елементите, така че, изучавайки ги, физиците се надяват да получат по-добро разбиране на химическата история на Вселената – включително как сме стигнали до тук.

Смята се, че по-голямата част от елементите са възникнали вътре в свръхнови, но „в много случаи не знаем кои звезди кои елементи са създали, тъй като тези взаимодействия включват нестабилни изотопи – неща, които не можем лесно да се сдобием“, каза професорът. Гавин Лотай, ядрен физик от Университета в Съри, който планира да използва новото съоръжение за изследване на често срещани експлозии, наречени рентгенови изблици в неутронни звезди.

Друга цел е да се разберат атомните ядра достатъчно добре, за да се разработи изчерпателен модел за тях, който би могъл да предостави нови прозрения за ролята, която играят в генерирането на енергия за звездите, или реакциите, които се случват в атомните електроцентрали.

Съоръжението може да произвежда и медицински аналози. Лекарите вече използват радиоизотопи при прегледи на домашни любимци и някои видове лъчетерапия, но откриването на повече изотопи може да помогне за подобряване на диагностичните изображения или да предостави нови начини за намиране и унищожаване на тумори.

За да генерира тези изотопи, FRIB ще ускори лъч от атомни ядра до половината от скоростта на светлината и ще го изпрати надолу по 450-метрова тръба, преди да го разбие в цел, която разбива някои от атомите на по-малки групи от протони и неутрони. След това серия от магнити ще филтрира желаните изотопи и ще ги насочи към експериментални камери за по-нататъшно изследване.

„В рамките на една милионна част от секундата можем да изберем конкретен изотоп и да го подложим на експеримент, където [scientists] „Можем да го уловим и да наблюдаваме радиоактивния му разпад или да го използваме, за да предизвикаме друга ядрена реакция и да използваме тези реакционни продукти, за да ни кажат нещо за структурата на изотопа“, каза Шерил.

Първите експерименти ще включват създаване на възможно най-тежките изотопи на флуор, алуминий, магнезий и неон и сравняване на скоростите на радиоактивен разпад с тези, предвидени от настоящите модели. „Би било изненада, ако нашите наблюдения бяха в съответствие с това, което очаквахме“, каза Черил. „Те вероятно няма да се съгласят и тогава ще използваме това несъгласие, за да подобрим нашите модели.“

Около месец по-късно изследователите на FRIB планират да измерят радиоактивния разпад на изотопи, за които се смята, че съществуват в неутронните звезди – някои от най-плътните обекти във Вселената, образувани, когато масивна звезда свърши без гориво и се срути – за да разберат по-добре тяхното поведение.

„Най-накрая имаме инструментите, които да дадем възможност на хората да направят изследванията, за които са чакали 30 години“, каза Черил. „Това е като да имаме нов, по-голям телескоп, който може да вижда във Вселената повече от всякога – само че ние ще видим по-далеч в ядрения пейзаж, отколкото сме били в състояние да гледаме преди. Винаги, когато имате нов инструмент като този, има потенциал за откритие.“