Güçlü Lineer Hızlandırıcı Atomları Parçalamaya Başlıyor - Ekipteki 2 Bilim İnsanı, Maddenin Nadir Biçimlerini Nasıl Ortaya Çıkarabileceğini Açıklıyor

Oturduğumuz yerden sadece birkaç yüz metre uzakta, havasız ve içindeki aletleri kontrol etmek için gerekli tellerle kaplı büyük bir metal oda var. Bir parçacık demeti, katı bir madde parçasına çarpana ve nadir izotopların patlamasıyla sonuçlanana kadar, odanın içinden ışık hızının yaklaşık yarısı kadar bir hızla sessizce geçer.

Tüm bunlar, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi adına Michigan Eyalet Üniversitesi tarafından işletilen Nadir İzotop Demetleri Tesisi veya FRIB'de gerçekleşiyor. Mayıs 2022'den itibaren, ulusal ve uluslararası bilim insanları ekipleri Michigan Eyalet Üniversitesi'nde bir araya geldi ve yeni izotoplar yaratmak, izole etmek ve incelemek amacıyla FRIB'de bilimsel deneyler yapmaya başladı. Deneyler, evrenin temel doğasına dair yeni anlayışlar sağlama sözü verdi.

Nadir izotopları inceleyen iki nükleer kimya ve nükleer fizik profesörüyüz. İzotoplar, bir anlamda, çekirdeğinde aynı sayıda proton ancak farklı sayıda nötron bulunan bir elementin farklı çeşitleridir.

FRIB'deki hızlandırıcı düşük güçte çalışmaya başladı, ancak tam güce ulaşmayı bitirdiğinde, Dünyadaki en güçlü ağır iyon hızlandırıcı olacak. FRIB, ağır iyonları - elementlerin elektrik yüklü atomlarını - hızlandırarak, bizim gibi bilim insanlarının daha önce hiç görülmemiş binlerce izotop oluşturmasına ve üzerinde çalışmasına olanak tanıyacak. Dünyanın dört bir yanından yaklaşık 1.600 nükleer bilim insanından oluşan bir topluluk, on yıldır yeni parçacık hızlandırıcının sağladığı bilimi yapmaya başlamak için bekliyor.

FRIB'deki ilk deneyler 2022 yazında tamamlandı. Tesis şu anda tam gücünün yalnızca bir kısmıyla çalışıyor olsa da, FRIB'de çalışan çok sayıda bilimsel iş birliği şimdiden yaklaşık 100 nadir izotop üretip tespit etti. Bu erken sonuçlar, araştırmacıların evrendeki en nadir fiziğin bazılarını öğrenmesine yardımcı oluyor.

 

Nadir izotop nedir?

Çoğu izotopu üretmek inanılmaz derecede yüksek miktarda enerji gerektirir. Doğada, ağır nadir izotoplar, süpernova adı verilen büyük kütleli yıldızların yıkıcı ölümleri veya iki nötron yıldızının birleşmesi sırasında üretilir.

Çıplak gözle, herhangi bir elementin iki izotopu aynı şekilde görünür ve aynı şekilde davranır - cıva elementinin tüm izotopları, tıpkı eski termometrelerde kullanılan sıvı metal gibi görünür. Bununla birlikte, aynı elementin izotoplarının çekirdekleri farklı sayıda nötron içerdiğinden, ne kadar süre yaşadıkları, ne tür radyoaktivite yaydıkları ve diğer birçok yönden farklılık gösterirler.

Örneğin, bazı izotoplar kararlıdır ve bozunmazlar veya radyasyon yaymazlar, dolayısıyla evrende yaygın olarak bulunurlar. Aynı elementin diğer izotopları radyoaktif olabilir, bu nedenle başka elementlere dönüşürken kaçınılmaz olarak bozunurlar. Radyoaktif izotoplar zamanla yok olduklarından nispeten daha nadirdirler.

Yine de tüm bozunmalar aynı oranda gerçekleşmez. Potasyum-40 gibi bazı radyoaktif elementler, izotopun küçük bir miktarının milyarlarca yıl dayanabileceği kadar düşük bir oranda bozunarak parçacıklar yayar. Magnezyum-38 gibi diğer, daha yüksek radyoaktif izotoplar, diğer elementlere bozunmadan önce saniyenin yalnızca bir kısmı için var olurlar. Kısa ömürlü izotoplar, tanımları gereği uzun süre hayatta kalmazlar ve evrende nadir bulunurlar. Dolayısıyla, onları incelemek istiyorsanız, kendiniz yapmalısınız.

Nadir İzotop Demetleri Tesisi, araştırmacıların nadir izotoplar oluşturmasına ve bunları bozunmadan önce ölçmesine olanak sağlamak için tasarlanmıştır. Nadir İzotop Demetleri Tesisi.

 

Laboratuvarda izotop oluşturma

Yalnızca yaklaşık 250 izotop Dünya'da doğal olarak bulunurken, teorik modeller doğada yaklaşık 7.000 izotop bulunması gerektiğini öngörüyor. Bilim insanları, bu nadir izotoplardan yaklaşık 3.000 tane üretmek için parçacık hızlandırıcıları kullandılar.

Yeşil renkli odalar, yüklü iyonları ışık hızının neredeyse yarısına çıkarmak için elektromanyetik dalgalar kullanır. Nadir İzotop Demetleri Tesisi.

 

FRIB hızlandırıcı 1.600 fit uzunluğundadır ve kabaca bir ataç şeklinde katlanmış üç bölümden oluşur. Bu bölümlerin içinde, güçlü elektromanyetik darbeler kullanarak alternatif olarak iyonları çeken ve iten çok sayıda, son derece soğuk vakum odaları bulunur. FRIB, ister oksijen kadar hafif ister uranyum kadar ağır olsun, doğal olarak oluşan herhangi bir izotopu ışık hızının yaklaşık yarısına kadar hızlandırabilir.

Radyoaktif izotoplar oluşturmak için, bu iyon demetini bir berilyum metali parçası veya dönen bir karbon diski gibi katı bir hedefe çarpmanız yeterlidir.

Yüklü parçacıkları, nötronları ve fotonları ölçmek için yapılmış FDSi adlı bu alet gibi, FRIB'deki deneyler sırasında oluşturulan parçacıkların belirli niteliklerini ölçmek için tasarlanmış birçok farklı alet vardır. Nadir İzotop Demetleri Tesisi.

 

İyon demetinin parçalanma hedefi üzerindeki etkisi, kararlı izotopun çekirdeğini parçalara ayırır ve aynı anda yüzlerce nadir izotop üretir. İlginç veya yeni izotopları diğerlerinden izole etmek için hedef ile sensörler arasında bir ayırıcı bulunur. Doğru momentuma ve elektrik yüküne sahip parçacıklar ayırıcıdan geçirilirken geri kalanlar emilir. Parçacıkların doğasını gözlemlemek için yapılmış birçok alete, istenen izotopların yalnızca bir alt kümesi ulaşacaktır.

Tek bir çarpışma sırasında herhangi bir belirli izotopu oluşturma olasılığı çok küçük olabilir. Daha nadir egzotik izotoplardan bazılarını oluşturma ihtimali katrilyonda 1 derecesinde olabilir - kabaca arka arkaya Mega Millions büyük ikramiyelerini kazanma ihtimaliyle aynı. Ancak FRIB tarafından kullanılan güçlü iyon demetleri o kadar çok iyon içerir ve tek bir deneyde o kadar çok çarpışma üretir ki, ekip en nadir izotopları bile bulmayı makul bir şekilde bekleyebilir. Hesaplamalara göre, FRIB'nin hızlandırıcısı tüm teorik izotopların yaklaşık %80'ini üretebilmelidir.

 

İlk iki FRIB bilimsel deneyi

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), Tennessee Üniversitesi, Knoxville (UTK), Mississippi Eyalet Üniversitesi ve Florida Eyalet Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından yönetilen çok kurumlu bir ekip, MSU'daki araştırmacılarla birlikte, 9 Mayıs 2022'de FRIB'de ilk deneyi yürütmeye başladı. Grup, 1 kW güçte bir berilyum hedefine bir kalsiyum-48 demeti - normal 20 nötron yerine 28 nötron içeren bir kalsiyum çekirdeği - yönlendirdi. Tesisin 400 kW'lık maksimum gücünün yüzde birinin dörtte birinde bile ayırıcıdan aletlere yaklaşık 40 farklı izotop geçti.

FDSi cihazı, her bir iyonun geldiği zamanı, hangi izotop olduğunu ve ne zaman bozunduğunu kaydetti. İş birliği, bu bilgiyi kullanarak izotopların yarı ömürlerini çıkardı; ekip daha önceden bilinmeyen beş yarı ömür bildirdi.

İkinci FRIB deneyi, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, ORNL, UTK ve MSU'dan araştırmacıların iş birliğiyle 15 Haziran 2022'de başladı. Tesis bir selenyum-82 demetini hızlandırdı ve bunu skandiyum, kalsiyum ve potasyum elementlerinin nadir izotoplarını üretmek için kullandı. Bu izotoplar nötron yıldızlarında yaygın olarak bulunur ve deneyin amacı, bu izotopların bozunurken ne tür radyoaktivite yaydıklarını daha iyi anlamaktı. Bu süreci anlamak, nötron yıldızlarının nasıl enerji kaybettiklerine ışık tutabilir.

İlk iki FRIB deneyi, bu yeni tesisin yetenekleri konusunda buzdağının sadece görünen kısmıydı. Önümüzdeki yıllarda FRIB, nükleer fizikteki dört büyük soruyu keşfetmeye hazırlanıyor: Birincisi, proton ve nötron sayıları arasında büyük bir fark olan atom çekirdeğinin özellikleri nelerdir? İkincisi, kozmosta elementler nasıl oluşur? Üçüncüsü, fizikçiler, evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğu gibi evrenin temel simetrilerini anlıyorlar mı? Son olarak, nadir izotoplardan elde edilen bilgiler tıpta, endüstride ve ulusal güvenlikte nasıl uygulanabilir?

 

Sean Liddick, Kimya Doçenti, Michigan Eyalet Üniversitesi ve Artemis Spyrou, Nükleer Fizik Profesörü, Michigan Eyalet Üniversitesi

Bu makale The Conversation'da yayınlanmıştır.