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强大的直线加速器开始粉碎原子——团队中的 2 位科学家解释了它如何揭示稀有物质形式

2022-11-21 08:54     来源:雅虎     重离子加速器直线加速器

密歇根州立大学的一个新粒子加速器将发现数千种前所未见的同位素。稀有同位素束设备,CC BY-ND

离我们坐的地方只有几百英尺是一个没有空气的大金属室,上面覆盖着控制内部仪器所需的电线。一束粒子以大约一半的光速静静地穿过腔室内部,直到它撞到一块固体材料上,导致稀有同位素的爆发。

这一切都发生在稀有同位素束或 FRIB 设施中,该设施由密歇根州立大学为美国能源部科学办公室运营。从 2022 年 5 月开始,国家和国际科学家团队聚集在密歇根州立大学,开始在 FRIB 进行科学实验,目标​​是创造、分离和研究新的同位素。这些实验有望提供对宇宙基本性质的新见解。

我们是研究稀有同位素的两位核化学和核物理学教授。从某种意义上说,同位素是一种元素的不同类型,其原子核中的质子数量相同但中子数量不同。

FRIB 的加速器开始以低功率工作,但当它完成加速到全功率时,它将成为地球上最强大的重离子加速器。通过加速重离子——元素的带电原子——FRIB 将使像我们这样的科学家能够创造和研究数千种前所未见的同位素。一个由来自世界各地的大约 1,600 名核科学家组成的社区已经等待了 10 年,才开始利用新型粒子加速器开展科学研究。

FRIB的首批实验于2022 年夏季完成。尽管该设施目前仅以其全部功率的一小部分运行,但在 FRIB 开展的多项科学合作已经产生并检测了大约 100 种稀有同位素。这些早期结果正在帮助研究人员了解宇宙中一些最稀有的物理学。

什么是稀有同位素?

生产大多数同位素需要大量的能量。在自然界中,重稀有同位素是在称为超新星的大质量恒星灾难性死亡或两颗中子星合并期间产生的。

用肉眼看,任何元素的两种同位素看起来和行为都相同——元素汞的所有同位素看起来就像旧温度计中使用的液态金属。然而,由于同一元素的同位素原子核具有不同数量的中子,因此它们在寿命长短、发射的放射性类型以及许多其他方面都不同。

例如,有些同位素很稳定,不会衰变,也不会发出辐射,因此在宇宙中很常见。同一元素的其他同位素可能具有放射性,因此它们在变成其他元素时不可避免地会衰变。由于放射性同位素会随着时间的推移而消失,因此它们相对较少。

但并非所有衰变都以相同的速度发生。一些放射性元素——如钾 40——通过衰变发射粒子,其发射率非常低,以至于少量的同位素可以持续数十亿年. 其他放射性更高的同位素,如镁 38,在衰变成其他元素之前只存在几分之一秒。短寿命同位素,顾名思义,寿命不长,在宇宙中很稀有。所以如果你想研究它们,你必须自己制作它们。

稀有同位素束设施旨在让研究人员能够制造稀有同位素并在它们衰变之前对其进行测量。稀有同位素束设备,抄送-ND

在实验室中创建同位素

虽然只有大约地球上天然存在 250 种同位素, 理论模型预测自然界中应该存在 7,000 种同位素. 科学家们使用粒子加速器来产生周围3,000 种稀有同位素.

FRIB 加速器长 1,600 英尺,由三段折叠成大致回形针的形状组成。在这些部分中有许多极冷的真空室,它们使用强大的电磁脉冲交替地拉动和推动离子。FRIB 可以将任何天然存在的同位素——无论是轻如氧还是重如铀——加速到大约光速的一半.

要制造放射性同位素,您只需将这束离子粉碎成固体目标,例如一块铍金属或一个旋转的碳盘。

离子束对碎裂靶的影响打破稳定同位素的原子核并同时产生数百种稀有同位素。为了将感兴趣的或新的同位素与其余同位素隔离开来,分离器位于目标和传感器之间。具有正确动量和电荷的粒子将通过分离器,而其余的则被吸收。只有一个所需同位素的子集将到达许多仪器建立观察粒子的性质。

在单次碰撞中产生任何特定同位素的概率可能非常小。创造一些更稀有的奇异同位素的几率大约是千万亿分之一– 与连续赢得超级百万头奖的几率大致相同。但 FRIB 使用的强大离子束包含如此多的离子,并在一次实验中产生如此多的碰撞,因此团队可以合理地期望找到最稀有的同位素. 根据计算,FRIB的加速器应该可以产生大约 80% 的所有理论同位素.

前两次FRIB科学实验

由劳伦斯伯克利国家实验室、橡树岭国家实验室 (ORNL)、田纳西大学诺克斯维尔分校 (UTK)、密西西比州立大学和佛罗里达州立大学的研究人员领导的多机构团队与密歇根州立大学的研究人员一起开始进行第一个实验2022 年 5 月 9 日在 FRIB。该小组以 1 千瓦的功率将一束钙 48(钙原子核有 28 个中子,而不是通常的 20 个中子)射入铍靶中。即使在该设施 400 千瓦最大功率的百分之四分之一的情况下,大约 40 种不同的同位素也会通过分离器到达仪器.

FDSi 设备记录了每个离子到达的时间、它是什么同位素以及它衰变的时间。利用这些信息,合作推导出了同位素的半衰期;团队已经报告了五个以前未知的半衰期.

第二次 FRIB 实验于 2022 年 6 月 15 日开始,由来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、ORNL、UTK 和 MSU 的研究人员合作领导。该设施加速了一束硒 82,并用它来生产元素钪、钙和钾的稀有同位素。这些同位素通常存在于中子星中,该实验的目的是更好地了解这些同位素在衰变时发出的放射性类型。了解这个过程可以阐明中子星如何失去能量.

前两个 FRIB 实验只是这个新设施能力的冰山一角。未来几年,FRIB 将探索核物理学中的四大问题:首先,质子数和中子数相差很大的原子核有什么性质?第二,宇宙中的元素是怎么形成的?第三,物理学家是否了解宇宙的基本对称性,例如为什么宇宙中的物质多于反物质?最后,稀有同位素信息如何应用于医学、工业和国家安全?

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