Kraftig accelerator er begyndt at smadre atomer

I Michigan, USA, findes et stort metalkammer blottet for luft og draperet med ledninger, som styrer instrumenterne indeni.

En stråle af partikler passerer lydløst gennem det indre af kammeret ved cirka halvdelen af lysets hastighed, indtil strålen smadrer ind i et solidt stykke materiale, hvilket resulterer i en eksplosion af sjældne isotoper.

Det hele foregår i Facility for Rare Isotope Beams eller FRIB, som drives af Michigan State University (MSU) for forskningsdepartementet ved den amerikanske pendant til Energistyrelsen, Department of Energy Office of Science.

Fra maj 2022 mødtes nationale og internationale forskerteams ved Michigan State University for at køre videnskabelige eksperimenter på FRIB med det mål at skabe, isolere og studere nye isotoper.

Ny indsigt i universets grundlæggende egenskaber

Eksperimenterne lovede ny indsigt i universets grundlæggende egenskaber.

Vi er professorer i henholdsvis kernekemi og kernefysik, som studerer sjældne isotoper. Isotoper er i bund og grund forskellige udgaver af det samme grundstof.

Isotoperne af et grundstof adskiller sig fra hinanden ved antallet af neutroner i atomkernen. Antallet af protoner i atomkernen er bibeholdt, mens antallet af neutroner varierer, afhængigt af det enkelte isotop.

Acceleratoren hos FRIB begyndte at arbejde ved lav styrke, men når den er kørt op til fuld styrke, vil den være den mest kraftfulde tunge ion-accelerator på Jorden.

Ved at accelerere tunge ioner – elektrisk ladede atomer af grundstoffer – vil FRIB give forskere som os mulighed for at skabe og studere tusindvis af aldrig før sete isotoper.

Et samfund af omkring 1.600 atomforskere fra hele verden har ventet i et årti på at begynde at udføre forskning, der er aktiveret af den nye partikelaccelerator.

De første eksperimenter på FRIB blev afsluttet i løbet af sommeren 2022.

Selvom anlægget i øjeblikket kun kører på en brøkdel af sin fulde styrke, har adskillige videnskabelige samarbejder ved FRIB, allerede produceret og detekteret omkring 100 sjældne isotoper.

Disse tidlige resultater hjælper forskerne med at lære om noget af det sjældneste fysik i universet.

Hvad er en sjælden isotop?

Der skal en utrolig stor mængde energi til for at producere de fleste isotoper.

I naturen produceres tunge sjældne isotoper i løbet af supernova-stjerners død eller i løbet af sammensmeltningen af to neutronstjerner.

For det blotte øje ligner to isotoper af alle grundstoffer hianden, og de opfører sig på samme måde – alle isotoper af grundstoffet kviksølv vil ligne det flydende metal, der blev brugt i gamle termometre.

Men fordi kernerne af isotoper af et grundstof har forskelligt antal neutroner, er de forskellige, i forhold til hvor længe de lever, hvilken type radioaktivitet, de udsender, og på mange andre måder.

Henfald sker ikke i samme hastighed

For eksempel er endel isotoper stabile og hverken henfalder eller udsender stråling, så de er almindelige i universet.

Andre isotoper af det samme grundstof kan være radioaktive, så de uundgåeligt henfalder, når de bliver til andre grundstoffer. Da radioaktive isotoper forsvinder over tid, er de relativt sjældnere.

Ikke alt henfald sker dog i samme hastighed. Nogle radioaktive grundstoffer – som kalium-40 – udsender partikler gennem henfald med så lav hastighed, at en lille del af isotopen kan vare i milliardvis af år.

Andre, mere radioaktive isotoper som magnesium-38 eksisterer kun i en brøkdel af et sekund, før de henfalder til andre grundstoffer.

Kortlivede isotoper, per definition, overlever ikke længe og er sjældne i universet. Så hvis du vil studere dem, skal du selv lave dem.

Skaber isotoper i et laboratorium

Mens kun omkring 250 isotoper forekommer naturligt på Jorden, forudsiger teoretiske modeller, at omkring 7.000 isotoper angiveligt eksisterer i naturen.

Forskerne har brugt partikelacceleratorer til at producere omkring 3.000 af disse sjældne isotoper.

FRIB-acceleratoren, som er cirka 488 meter lang, består af 3 segmenter foldet nogenlunde som en papirclips.

I disse segmenter er der talrige ekstremt kolde vakuumkamre, der alternativt trækker og skubber ionerne ved hjælp af kraftige elektromagnetiske impulser.

FRIB kan accelerere alle naturligt forekommende isotoper – uanset om de er så lette som ilt eller så tunge som uran – til cirka halvdelen af lysets hastighed.

For at skabe radioaktive isotoper er der kun brug for at smadre strålen af ioner mod et fast mål som et stykke berylliummetal eller en roterende skive af kulstof.

Kraftpåvirkningen af ionstrålen mod fragmenteringsmålet splitter den stabile isotops kerne og producerer samtidigt flere hundrede sjældne isotoper.

For at isolere de interessante eller nye isotoper fra resten sidder en separator mellem målet og sensorerne.

Partikler med det rette momentum og elektriske ladning vil blive ført gennem separatoren, mens resten absorberes.

Kun en delmængde af de ønskede isotoper vil nå de mange instrumenter, der er skabt for at observere partiklernes natur.

Sandsynligheden for at skabe en specifik isotop i løbet af én enkelt kollision kan være meget lille.

Oddsene for at skabe nogle af de mere sjældne eksotiske isotoper kan være i størrelsesordenen én ud af en kvadrillion – nogenlunde de samme odds som at vinde Mega Millions jackpots to gange i rap .

Men de kraftige ionstråler, der bruges af FRIB, indeholder så mange ioner og producerer så mange kollisioner i et enkelt eksperiment, at forskerholdet med rimelighed kan forvente at finde selv de sjældneste isotoper.

Ifølge beregningerne skal FRIBs accelerator være i stand til at producere cirka 80 procent af alle teoretiserede isotoper.

Det første FRIB-eksperiment

Et team bestående af flere institutioner ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), University of Tennessee, Knoxville (UTK), Mississippi State University og Florida State University begyndte sammen med forskere ved MSU at køre det første eksperiment på FRIB 9. maj 2022.

Gruppen rettede en stråle af calcium-48 – en calciumkerne med 28 neutroner i stedet for de sædvanlige 20 – mod i et mål af beryllium med en effekt på 1 kW.

Selv ved en kvart procent af anlæggets maksimale effekt på 400 kW passerede cirka 40 forskellige isotoper gennem separatoren til instrumenterne.

FDSi-anlægget registrerede ankomsttidspunktet for hver eneste ion, hvilken isotop der var tale om, og hvornår den henfaldt.

Ved hjælp af denne information udledte forskerne isotopernes halveringstid; forskerholdet har allerede rapporteret om fem hidtil ukendte halveringstider.

Det andet FRIB-eksperiment

Det andet FRIB-eksperiment begyndte 15. juni 2022, ledet af et samarbejde mellem forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory, ORNL, UTK og MSU.

Anlægget accelererede en stråle af selen-82 og brugte den til at producere sjældne isotoper af grundstofferne scandium, calcium og kalium.

Disse isotoper findes almindeligvis i neutronstjerner, og målet med eksperimentet var at opnå bedre forståelse af, hvilken type radioaktivitet disse isotoper udsender, når de henfalder.

Skal udforske fire af kernefysikkens store spørgsmål

At forstå denne proces kan kaste lys over, hvordan neutronstjerner mister energi.

De første to FRIB-eksperimenter var kun toppen af isbjerget af den nye facilitets kapacitet.

I løbet af de kommende år skal FRIB udforske fire af kernefysikkens store spørgsmål:

• For det første, hvilke egenskaber har atomkerner med en stor forskel mellem antallet af protoner og neutroner?
• For det andet, hvordan dannes elementer i kosmos?
• For det tredje, forstår fysikere universets grundlæggende symmetrier, som hvorfor der er mere stof end antistof i universet?
• Og til sidst: hvordan kan information fra sjældne isotoper anvendes i medicin, industri og national sikkerhed?

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

\ Læs mere

Hvad har kernefysikken givet os?

\ Læs mere

Einsteinium: Nye eksperimenter kortlægger grundstof fundet efter brintbombe