Химические элементы, от углерода до урана и от кислорода до железа, являются строительными блоками окружающего нас мира и Вселенной в целом. Теперь физики надеются получить беспрецедентный взгляд на их происхождение с открытием нового объекта, который создаст тысячи странных и нестабильных версий атомов, которые никогда прежде не регистрировались на Земле.
Изучая эти версии, известные как изотопы, они надеются получить новое представление о взаимодействиях, которые создали Элементы внутри сверхновых, а также проверку теорий о «сильном взаимодействии» — одном из четырех фундаментальных сил в природе, которые связывают протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Предприятие также может производить новые аналоги для медицинского применения.
Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Количество протонов определяет химическое поведение атома и то, каким элементом он является — например, углерод всегда имеет шесть протонов, золото — 79, а атомы одного и того же элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами.
Поскольку многие изотопы нестабильны и быстро распадаются — иногда за миллисекунды — ученые изучили лишь небольшой процент тех изотопов, которые, как считается, существуют.
«На Земле обнаружено 285 изотопов элементов, но мы думаем, что существует, вероятно, 10 000 изотопов элементов, даже урана», — сказал профессор Брэдли Шерилл, научный директор Центра изучения редких изотопных лучей (FRIB) в штате Мичиган. Университет официально открылся 2 мая. «Цель FRIB — предоставить как можно больше доступа к этому обширному ландшафту от других сверстников, насколько позволяют технологии».
Некоторые из этих «редких изотопов» могут привести к реакциям, имеющим решающее значение для образования элементов, поэтому, изучая их, физики надеются лучше понять химическую историю Вселенной, в том числе то, как мы сюда попали.
Считается, что подавляющее большинство элементов образовалось внутри сверхновых, но «во многих случаях мы не знаем, какие звезды создали какие элементы, потому что в этих взаимодействиях участвуют нестабильные изотопы — вещи, которые мы не можем легко получить», — сказал профессор. Гэвин Лотай, физик-ядерщик из Университета Суррея, который планирует использовать новую установку для исследования обычных взрывов, называемых рентгеновскими вспышками внутри нейтронных звезд.
Другая цель состоит в том, чтобы понять атомные ядра достаточно хорошо, чтобы разработать их всеобъемлющую модель, которая могла бы дать новое понимание роли, которую они играют в производстве энергии для звезд, или реакций, происходящих на атомных электростанциях.
Предприятие также может производить аналоги, полезные с медицинской точки зрения. Врачи уже используют радиоизотопы при осмотре домашних животных и некоторых видах лучевой терапии, но обнаружение большего количества изотопов может помочь улучшить диагностическую визуализацию или предоставить новые способы обнаружения и уничтожения опухолей.
Подпишитесь на первый выпуск, нашу бесплатную ежедневную рассылку — каждое утро в будние дни в 7:00 по Гринвичу.
Чтобы произвести эти изотопы, FRIB ускорит пучок атомных ядер до половины скорости света и направит его по 450-метровой трубе, прежде чем врезаться в цель, которая разбивает некоторые атомы на более мелкие группы протонов и нейтронов. Затем серия магнитов отфильтрует нужные изотопы и направит их в экспериментальные камеры для дальнейшего изучения.
«За миллионную долю секунды мы можем выбрать конкретный изотоп и подвергнуть его эксперименту, в котором [scientists] «Мы могли бы захватить его и наблюдать за его радиоактивным распадом, или мы могли бы использовать его, чтобы вызвать другую ядерную реакцию и использовать эти продукты реакции, чтобы рассказать нам что-то о структуре изотопа», — сказал Шерил.
Первые эксперименты будут включать создание максимально тяжелых изотопов фтора, алюминия, магния и неона и сравнение скоростей радиоактивного распада с теми, которые предсказываются современными моделями. «Было бы сюрпризом, если бы наши наблюдения соответствовали нашим ожиданиям», — сказала Шерил. «Вероятно, они не согласятся, и тогда мы воспользуемся этим несогласием, чтобы улучшить наши модели».
Примерно через месяц исследователи FRIB планируют измерить радиоактивный распад изотопов, которые, как считается, существуют в нейтронных звездах — одних из самых плотных объектов во Вселенной, образовавшихся, когда у массивной звезды закончилось топливо и она коллапсировала — чтобы лучше понять их поведение.
«Наконец-то у нас есть инструменты, позволяющие людям провести исследование, которого они ждали 30 лет», — сказала Шерил. «Это похоже на наличие нового, более крупного телескопа, который может заглянуть во Вселенную больше, чем когда-либо прежде, только мы сможем заглянуть дальше в ядерный ландшафт, чем могли заглянуть раньше. Всякий раз, когда у вас есть такой новый инструмент, есть потенциал для открытия».
«Писатель. Внештатный исследователь твиттера. Будущий кумир подростков. Заядлый пивной ниндзя».