Дългоочакван ускорител, готов да изследва произхода на елементите


Изглед от въздуха на Съоръжението за редки изотопни лъчи в кампуса на Мичиганския държавен университет.

Изглед от въздуха на Съоръжението за редки изотопни лъчи в кампуса на Мичиганския държавен университет.Кредит: Съоръжение за редки изотопни лъчи

Едно от главните желания на ядрените физици е на път да се сбъдне. След десетилетия дълго чакане, ускорител на стойност 942 милиона щатски долара в Мичиган официално се открива на 2 май. Неговите експерименти ще начертаят неизследвани региони от пейзажа на екзотични атомни ядра и ще хвърлят светлина върху това как звездите и експлозиите на свръхнови създават повечето от елементите във Вселената.

„Този ​​проект е реализацията на една мечта на цялата общност в областта на ядрената физика“, казва Ани Апрахамян, експериментален ядрен физик от Университета на Нотр Дам в Индиана. Кейт Джоунс, която изучава ядрена физика в Университета на Тенеси в Ноксвил, е съгласна. „Това е дългоочакваното съоръжение за нас“, казва тя.

Съоръжението за редки изотопни лъчи (FRIB) в Мичиганския държавен университет (MSU) в Ийст Лансинг имаше бюджет от 730 милиона долара, повечето от които финансирани от Министерството на енергетиката на САЩ, с принос от 94,5 милиона долара от щата Мичиган. MSU допринесе с допълнителни 212 милиона долара по различни начини, включително земята. Той замества по-ранен ускорител на Националната научна фондация, наречен Национална свръхпроводяща циклотронна лаборатория (NSCL), на същото място. Изграждането на FRIB започна през 2014 г. и беше завършено в края на миналата година, „пет месеца по-рано и в рамките на бюджета“, казва ядреният физик Брадли Шерил, който е научен директор на FRIB.

В продължение на десетилетия ядрените физици настояваха за съоръжение с неговата мощност – такова, което би могло да произвежда редки изотопи с порядък по-бързо, отколкото е възможно с NSCL и подобни ускорители по целия свят. Първите предложения за такава машина идват в края на 80-те години, а консенсус е постигнат през 90-те години. „Общността беше категорична, че трябва да получим инструмент като този“, казва Витолд Назаревич, теоретичен ядрен физик и главен учен на FRIB.

Вътрешни работи

Всички FRIB експерименти ще започнат в мазето на съоръжението. Атомите на специфичен елемент, обикновено уран, ще бъдат йонизирани и изпратени в 450-метров ускорител, който се огъва като кламер, за да се побере в 150-метровата зала. В края на тръбата лъчът от йони ще удари графитно колело, което се върти непрекъснато, за да избегне прегряване на някое конкретно място. Повечето от ядрата ще преминат през графита, но част ще се сблъска с неговите въглеродни ядра. Това кара ядрата на урана да се разпадат на по-малки комбинации от протони и неутрони, всяко от които е ядро ​​на различен елемент и изотоп.

След това този лъч от различни ядра ще бъде насочен към „сепаратор на фрагменти“ на нивото на земята. Сепараторът се състои от поредица от магнити, които отклоняват всяко ядро ​​надясно, всяко под ъгъл, който зависи от неговата маса и заряд. Чрез фина настройка на този процес операторите на FRIB ще могат да произвеждат лъч, състоящ се изцяло от един изотоп за всеки конкретен експеримент.

След това желаният изотоп може да бъде насочен през лабиринт от лъчеви тръби до една от многото експериментални зали. В случай на най-редките изотопи, скоростта на производство може да бъде до едно ядро ​​на седмица, но лабораторията ще може да достави и проучи почти всеки един, казва Шерил.

Уникална характеристика на FRIB е, че има втори ускорител, който може да вземе редките изотопи и да ги разбие срещу фиксирана цел, за да имитира високоенергийните сблъсъци, които се случват вътре в звезди или свръхнови.

FRIB ще започне да работи с относително нисък интензитет на лъча, но неговият ускорител постепенно ще се увеличава, за да произвежда йони със скорост, която е с порядък по-висока от тази на NSCL. Всеки уранов йон също ще пътува по-бързо до графитната цел, носейки енергия от 200 мега-електронволта, в сравнение със 140 MeV, пренасяни от йони в NSCL. По-високата енергия на FRIB е в идеалния диапазон за производство на огромен брой различни изотопи, казва Шерил, включително стотици, които никога не са били синтезирани преди.

Ръбът на знанието

Физиците са развълнувани от появата на FRIB онлайн, тъй като познанията им за пейзажа на изотопите все още са пробни. Силите, които държат атомните ядра заедно, по принцип са резултат от силната сила – една от четирите основни природни сили и същата сила, която свързва три кварка заедно, за да образуват неутрон или протон. Но ядрата са сложни обекти с много движещи се части и е невъзможно да се предвидят техните структури и свойства точно от първите принципи, казва Назаревич.

Следователно изследователите са измислили различни опростени модели, които предвиждат някои характеристики на определен диапазон от ядра, но могат да се провалят или да дадат само приблизителни оценки извън този диапазон. Това важи дори за основни въпроси, като например колко бързо се разпада изотопът – неговият полуживот – или дали изобщо може да се образува, казва Назаревич. „Ако ме попитате колко изотопа на калай съществуват или олово, отговорът ще бъде даден с голяма лента за грешки“, казва той. FRIB ще може да синтезира стотици ненаблюдавани досега изотопи (вижте „Неизследвани ядра“) и чрез измерване на техните свойства ще започне да подлага на тест много ядрени модели.

НЕИЗУЧВАНИ ЯДРА.  Диаграма, показваща измерени и наблюдавани изотопи спрямо тези, които потенциално ще бъдат произведени от FRIB.

Източник: Neufcourt, L. et al. Phys. Rev. C 101044307 (2020)

Джоунс и други ще бъдат особено заинтересовани да изучават изотопи, които имат „магически“ брой протони и неутрони — като 2, 8, 20, 28 или 50 — които правят структурата на ядрото особено стабилна, защото образуват пълни енергийни нива (известни като черупки). Магическите изотопи са особено важни, защото осигуряват най-чистите тестове за теоретичните модели. В продължение на много години Джоунс и нейната група са изучавали изотопи на калай с прогресивно по-малко неутрони, като се насочват към калай-100, който има магически числа както на неутрони, така и на протони.

Теоретичните несигурности също означават, че изследователите все още нямат подробно обяснение за това как са се образували всички елементи в периодичната таблица. Големият взрив произвежда основно само водород и хелий; другите химични елементи в таблицата до желязо и никел се образуват най-вече чрез ядрен синтез вътре в звездите. Но по-тежките елементи не могат да се образуват чрез сливане. Те са изковани с други средства – обикновено чрез радиоактивен β-разпад. Това се случва, когато едно ядро ​​получи толкова много неутрони, че става нестабилно и един или повече от неговите неутрони се превръщат в протон, създавайки елемент с по-висок атомен номер.

Това може да се случи, когато ядрата са бомбардирани с неутрони в кратки, но катаклизмични събития, като свръхнова или сливане на две неутронни звезди. Най-добре проучваното събитие от този тип, което беше наблюдавано през 2017 г., беше в съответствие с модели, при които сблъскващите се кълба произвеждат елементи, по-тежки от желязото. Но астрофизиците не можаха да наблюдават кои конкретни елементи са направени или в какви количества, казва Хендрик Шац, ядрен астрофизик в MSU. Една от основните силни страни на FRIB ще бъде да изследва богатите на неутрони изотопи, които се получават по време на тези събития, казва той.

Свръхпроводящият радиочестотен линеен ускорител, разположен в линейния тунел в Съоръжението за редки изотопни лъчи.

Линейният ускорител на FRIB се състои от 46 криомодула, които ускоряват йонните лъчи, докато работят при температури няколко градуса над абсолютната нула.Кредит: Съоръжение за редки изотопни лъчи

Съоръжението ще помогне да се отговори на основния въпрос „колко неутрона може да се добави към ядрото и как се променят взаимодействията вътре в ядрото?“ казва Ану Канкайнен, експериментален физик от университета в Ювяскюля във Финландия.

FRIB ще бъде допълнение към други най-съвременни ускорители, които изучават ядрени изотопи, казва Клаус Блаум, физик от Института по ядрена физика Макс Планк в Хайделберг, Германия. Съоръженията в Япония и Русия са оптимизирани за производство на възможно най-тежките елементи, тези в края на периодичната таблица.

Съоръжението за изследване на антипротони и йони на стойност 3,1 милиарда евро (FAIR), атомен разбивач, който се строи в Дармщат, Германия, се планира да бъде завършен през 2027 г. (въпреки че замразяването на участието на Русия след инвазията в Украйна може да доведе до известно забавяне) . FAIR ще произвежда антиматерия, както и материя, и ще може да съхранява ядра за по-дълги периоди от време. „Не можете да направите всичко с една машина“, казва Блаум, който е бил в консултативни комитети както за FRIB, така и за FAIR.