Nur ein paar hundert Meter von unserem Sitzplatz entfernt befindet sich eine große Metallkammer ohne Luft, die mit Drähten bedeckt ist, die zur Steuerung der Instrumente im Inneren benötigt werden. Ein Teilchenstrahl durchquert lautlos mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit das Innere der Kammer, bis er auf ein festes Stück Material trifft, was zu einer Explosion seltener Isotope führt.
Das alles findet im statt Einrichtung für seltene Isotopenstrahlen, oder FRIB, das von der Michigan State University für das Office of Science des US-Energieministeriums betrieben wird. Ab Mai 2022 kamen nationale und internationale Wissenschaftlerteams an der Michigan State University zusammen 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 in Kernchemie und Kernphysik die seltene Isotope studieren. Isotope sind gewissermaßen unterschiedliche Geschmacksrichtungen eines Elements mit der gleichen Anzahl von Protonen in ihrem Kern, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen.
Der Beschleuniger am FRIB begann mit geringer Leistung zu arbeiten, aber wenn er seine volle Leistung erreicht hat, wird er der leistungsstärkste Schwerionenbeschleuniger der Erde sein. Durch die Beschleunigung schwerer Ionen – elektrisch geladener Atome von Elementen – wird FRIB es Wissenschaftlern wie uns ermöglichen, Tausende von nie zuvor gesehenen Isotopen zu erzeugen und zu untersuchen. Eine Gemeinschaft von ungefähr 1.600 Nuklearwissenschaftler aus aller Welt wartet seit einem Jahrzehnt darauf, mit der Wissenschaft zu beginnen, die durch den neuen Teilchenbeschleuniger ermöglicht wird.
Das erste Versuche am FRIB wurden im Sommer 2022 fertiggestellt. Obwohl die Anlage derzeit nur mit einem Bruchteil ihrer vollen Leistung läuft, haben mehrere wissenschaftliche Kollaborationen, die am FRIB arbeiten, bereits produziert und etwa 100 seltene Isotope nachgewiesen. Diese frühen Ergebnisse helfen Forschern, etwas über einige der seltensten Physik im Universum zu lernen.
Was ist ein seltenes Isotop?
Es braucht unglaublich viel Energie, um die meisten Isotope zu produzieren. In der Natur werden schwere seltene Isotope während des katastrophalen Todes massereicher Sterne produziert, die als massiv bezeichnet werden Supernovae oder während der Verschmelzung zweier Neutronensterne.
Seltene Isotope sind radioaktiv und zerfallen im Laufe der Zeit, wenn sie Strahlung abgeben – hier sichtbar als die Streifen, die von dem kleinen Uranstück in der Mitte kommen.
Mit bloßem Auge sehen und verhalten sich zwei Isotope eines beliebigen Elements gleich – alle Isotope des Elements Quecksilber würden genauso aussehen wie das flüssige Metall, das in alten Thermometern verwendet wird. Da die Kerne von Isotopen desselben Elements jedoch eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben, unterscheiden sie sich in ihrer Lebensdauer, in welcher Art von Radioaktivität sie emittieren und in vielen anderen Dingen.
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 sich in andere Elemente verwandeln. Da radioaktive Isotope mit der Zeit verschwinden, sind sie relativ selten.
Nicht jeder Zerfall geschieht jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit. Einige radioaktive Elemente – wie Kalium-40 – geben beim Zerfall Partikel mit einer so geringen Geschwindigkeit ab, dass eine kleine Menge des Isotops dies kann überdauern Milliarden von Jahren. Andere, stärker radioaktive Isotope wie Magnesium-38 existieren nur für den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie in andere Elemente zerfallen. Kurzlebige Isotope überleben definitionsgemäß nicht lange und sind im Universum selten. Wenn Sie sie also studieren wollen, müssen Sie sie selbst herstellen.
Erstellen von Isotopen im Labor
Während nur etwa 250 Isotope kommen natürlicherweise auf der Erde vortheoretische Modelle sagen das ungefähr voraus 7.000 Isotope sollen in der Natur existieren. Wissenschaftler haben Teilchenbeschleuniger verwendet, um etwa zu produzieren 3.000 dieser seltenen Isotope.
Der FRIB-Beschleuniger ist 1.600 Fuß lang und besteht aus drei Segmenten, die ungefähr in Form einer Büroklammer gefaltet sind. Innerhalb dieser Segmente befinden sich zahlreiche, extrem kalte Vakuumkammern, die die Ionen mit starken elektromagnetischen Impulsen abwechselnd ziehen und schieben. FRIB kann jedes natürlich vorkommende Isotop – ob es so leicht wie Sauerstoff oder so schwer wie Uran ist – auf ungefähr beschleunigen halbe Lichtgeschwindigkeit.
Um radioaktive Isotope zu erzeugen, müssen Sie diesen Ionenstrahl nur auf ein festes Ziel wie ein Stück Berylliummetall oder eine rotierende Kohlenstoffscheibe schlagen.
Der Aufprall des Ionenstrahls auf das Fragmentierungsziel bricht den Kern des stabilen Isotops auseinander und produziert viele hundert seltene Isotope gleichzeitig. Um die interessanten oder neuen Isotope vom Rest zu isolieren, sitzt ein Separator zwischen dem Target und den Sensoren. Partikel mit dem richtigen Impuls und der richtigen elektrischen Ladung werden durch den Separator geleitet, während der Rest absorbiert wird. Nur ein Teilmenge der gewünschten Isotope erreicht die vielen Instrumente gebaut, um die Natur der Partikel zu beobachten.
Die Wahrscheinlichkeit, bei einer einzigen Kollision ein bestimmtes Isotop zu erzeugen, kann sehr gering sein. Die Wahrscheinlichkeit, einige der selteneren exotischen Isotope zu erzeugen, kann in der Größenordnung von liegen 1 in einer Billiarde– ungefähr die gleichen Chancen wie der Gewinn von aufeinanderfolgenden Mega Millions-Jackpots. Aber die starken Ionenstrahlen, die von FRIB verwendet werden, enthalten so viele Ionen und erzeugen so viele Kollisionen in einem einzigen Experiment, dass das Team vernünftigerweise damit rechnen kann finden Sie selbst die seltensten Isotope. Berechnungen zufolge sollte der Beschleuniger von FRIB dazu in der Lage sein produzieren etwa 80 % aller theoretisierten Isotope.
Die ersten beiden wissenschaftlichen Experimente von FRIB
Ein institutionenübergreifendes 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 begann zusammen mit Forschern der MSU mit der Durchführung des ersten Experiments am FRIB am 9. Mai 2022. Die Gruppe richtete einen Strahl aus Calcium-48 – einem Calciumkern mit 48 Neutronen anstelle der üblichen 20 – mit 1 kW Leistung auf ein Beryllium-Target. Selbst bei einem Viertelprozent der 400-kW-Maximalleistung der Anlage gelangten etwa 40 verschiedene Isotope durch den Separator zum Instrumente.
Das FDSi-Gerät zeichnete die Zeit auf, zu der jedes Ion ankam, welches Isotop es war und wann es zerfiel. Anhand dieser Informationen leitete die Kollaboration die Halbwertszeiten der Isotope ab; das Team hat bereits über fünf bisher unbekannte Halbwertszeiten berichtet.
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, besser zu verstehen, welche Art von Radioaktivität diese Isotope beim Zerfall abgeben. Das Verständnis dieses Prozesses könnte Licht ins Dunkel bringen Wie Neutronensterne Energie verlieren.
Die ersten beiden FRIB-Experimente waren nur die Spitze des Eisbergs der Möglichkeiten 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 entstehen Elemente im Kosmos? Drittens, verstehen Physiker die fundamentalen Symmetrien des Universums, etwa warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt? Und schließlich, wie können die Informationen seltener Isotope in Medizin, Industrie und nationaler Sicherheit angewendet werden?
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