Блок 728 на 90 (ID блока: R-A-346643-9)

Новый ускоритель частиц FRIB будет изучать редкие изотопы

332

Новый ускоритель частиц FRIB (Facility for Rare Isotope Beams, установка для пучков редких изотопов) в Университете Мичигана начал свою работу. Его строительство было завершено в январе 2022 года. Исследователи уже опубликовали первые результаты работы линейного ускорителя.

Физики иногда описывают изотопы как разные разновидности одного и того же элемента. Атом любого элемента всегда имеет в ядре одинаковое количество протонов, но количество нейтронов может варьироваться.

Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. У углерода, например, всегда 6 протонов, а его атомный номер равен 6. Но существуют разные изотопы углерода, каждый с разным количеством нейтронов, от 2 до 16.

Существует только два долгоживущих и стабильных изотопа углерода: углерод-12 (12С) и углерод-13 (13С). Ни один из них не распадается, в отличие от всех других изотопов углерода. Некоторые изотопы углерода существуют несколько тысяч лет; другие только короткие промежутки времени.

То же самое и с изотопами других элементов. И независимо от того, существует ли изотоп миллионы лет или миллионные доли секунды, его существование играет роль в природе.

Изотопы необходимы для понимания многих вещей в природе, включая астрофизические объекты, такие как нейтронные звезды, а также природу и историю нашей Солнечной системы. Ученые сравнивают соотношение изотопов в разных объектах, чтобы увидеть, как они могут быть связаны.

Ученые иногда называют различные отношения «отпечатками пальцев», потому что они выполняют аналогичную доказательную роль. Например, ученые измерили изотопные отпечатки Земли и сравнили их с лунными образцами, чтобы понять, как образовалась Луна.

Физики изучают и идентифицируют изотопы уже более века. С появлением более мощных ускорителей частиц исследователи идентифицировали изотопы, которые существуют только наносекунды. Для производства этих неуловимых атомов требуются чрезвычайно высокие уровни энергии и сложные детекторы для их измерения. Именно здесь вступает в игру FRIB.

В природе на Земле существует всего около 250 изотопов всех типов атомов. Но теория предсказывает существование 7000 из них, а исследователи уже нашли около 3000. FRIB призван сократить разрыв между этими цифрами. Расчеты предсказывают, что ускоритель обнаружит 80% всех теоретических изотопов. Когда его работа будет завершена, в таблице нуклидов будет указано около 6000 изотопов.

Ускоритель состоит из трех сегментов общей длиной 488 метров, сложенных в форме скрепки. На первом этапе стабильные атомы выбранных элементов проходят через облако электронов. Оно отрывает электроны от атомов, оставляя положительно заряженные ионы.

Затем FRIB ускоряет положительные ионы примерно до половины скорости света, прежде чем направить их в цель. Когда поток ионов достигает цели, столкновение заставляет ионы терять или приобретать протоны и нейтроны. Это делает их нестабильными, производя тысячи редких изотопов, некоторые из которых существуют лишь краткие мгновения.

Прежде чем распасться, изотопы проходят через серию магнитов, действующих как сепараторы. Они отфильтровывают изотопы по импульсу и электрическому заряду. Остаются только изотопы, нужные для конкретного эксперимента, которые попадают в набор инструментов FRIB, измеряющих природу частиц.

Исследователи не могут направить FRIB на производство определенных изотопов. Все основано на вероятностях.

Ученые говорят, что создание редчайшего из изотопов в FRIB имеет шанс один к одному квадриллиону. Но FRIB производит так много столкновений и изотопов за один проход, что 1 к квадриллиону не является непреодолимым препятствием. Массовое производство столкновений и изотопов привело к предсказанию, что ускоритель может производить 80% всех теоретических изотопов.

FRIB уже провел два эксперимента. Первый работал только на 25% от полной мощности ускорителя. Он создал луч кальция-48 и направил его на бериллиевую мишень. Это привело к тому, что около 40 различных изотопов достигли детекторов. Измерив время прибытия, какой это был изотоп и сколько времени потребовалось для его распада, эксперимент выявил пять новых периодов полураспада для экзотических изотопов фосфора, кремния, алюминия и магния. Измерение этих периодов полураспада дает представление о различных моделях атомного царства.

Второй эксперимент был направлен на понимание нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это звездные остатки, схлопнувшиеся ядра звезд, которые взорвались как сверхновые.

Нейтронные звезды состоят из чрезвычайно плотного вещества и больше не подвергаются термоядерному синтезу. С нейтронными звездами еще многое происходит, и существует много теорий о том, как они функционируют. Ученым известно, что нейтронные звезды содержат редкие изотопы скандия, кальция и калия.

В этом эксперименте исследователи произвели пучок селена-28 для получения таких же редких изотопов скандия, кальция и калия. Эксперимент начался в июне, и его результаты еще не опубликованы. Но он показывает, как FRIB может решать фундаментальные вопросы о некоторых из самых экстремальных объектов природы.

FRIB может решать и другие вопросы, не все связанные с астрофизическими объектами. Некоторые из его исследований должны пролить свет на более практические вопросы.

В прошлом исследования в области ядерной науки давали результаты, которые изменяли жизнь людей. Технологии медицинской визуализации, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), являются результатом фундаментальных исследований в области ядерной физики.

Ученые надеются, что исследования FRIB могут внести столь же ценный вклад в развитие общества. История показывает, что мы не всегда можем предсказать практическую пользу таких фундаментальных исследований, но без них цивилизация выглядела бы совсем по-другому.

Источник frib.msu universetoday
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии