A unos cientos de pies de donde estamos sentados hay una gran cámara de metal, sin aire y cubierta con los cables necesarios para controlar los instrumentos que hay dentro. Un haz de partículas atraviesa el interior de la cámara en silencio a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz hasta que golpea una pieza sólida de materia, explotando isótopos raros.
Todo esto sucede en Instalación para rayos isotópicos raros, o FRIB, operado por la Universidad Estatal de Michigan para el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias. A partir de mayo de 2023, equipos de científicos nacionales e internacionales se reunieron en MSU y comenzaron a realizar experimentos científicos en FRIB con el objetivo de crear, aislar y estudiar nuevos isótopos. Los experimentos prometían proporcionar nuevos conocimientos sobre la naturaleza fundamental del universo.
Al acelerar iones pesados (átomos de elementos cargados eléctricamente), FRIB permitirá a científicos como nosotros crear y estudiar miles de isótopos nunca antes vistos.
somos dos profes química nuclear Y el Física nuclear que estudian isótopos raros. Los isótopos son, en cierto sentido, diferentes sabores de un elemento que tienen el mismo número de protones en sus núcleos pero diferente número de neutrones.
El acelerador de FRIB comenzó a baja potencia, pero cuando termine de aumentar a plena potencia, será el acelerador de iones pesados más potente de la Tierra. Al acelerar iones pesados (átomos de elementos cargados eléctricamente), FRIB permitirá a científicos como nosotros crear y estudiar miles de isótopos nunca antes vistos. comunidad aprox. 1.600 científicos nucleares de todo el mundo Había estado esperando una década para comenzar a hacer la ciencia que permitía su nuevo acelerador de partículas.
los Primeras experiencias en FRIB Se completará en el verano de 2023. Aunque la instalación actualmente está operando a solo una fracción de su fuerza total, varias colaboraciones científicas que trabajan en FRIB ya han producido y Descubre alrededor de 100 isótopos raros. Estos primeros resultados están ayudando a los investigadores a aprender sobre algunas de las físicas más raras del universo.
Los isótopos raros se consideran radiactivos y se descomponen con el tiempo porque emiten radiación, que se muestra aquí como rayas provenientes de una pequeña pieza de uranio en el centro.
¿Qué es un isótopo raro?
Producir la mayoría de los isótopos requiere cantidades increíblemente grandes de energía. En la naturaleza, se producen isótopos pesados raros durante la muerte catastrófica de estrellas masivas llamadas supernovas o durante Fusión de dos estrellas de neutrones.
A simple vista, dos isótopos de cualquier elemento se ven y se comportan igual; todos los isótopos del elemento mercurio se verán exactamente como el metal líquido que se usa en los termómetros antiguos. Sin embargo, debido a que los núcleos de isótopos del mismo elemento tienen diferente número de neutrones, difieren en su tiempo de vida, el tipo de radiactividad que emiten y en muchas otras formas.
FRIB puede acelerar cualquier isótopo natural, ya sea tan ligero como el oxígeno o tan pesado como el uranio, a casi la mitad de la velocidad de la luz.
Por ejemplo, algunos isótopos son estables y no se descomponen ni emiten radiación, por lo que son comunes en el universo. Otros isótopos del mismo elemento pueden ser radiactivos, por lo que inevitablemente se descomponen cuando se convierten en otros elementos. Debido a que los radioisótopos desaparecen con el tiempo, son relativamente raros.
Sin embargo, no todas las caries ocurren al mismo ritmo. Algunos elementos radiactivos, como el potasio-40, emiten partículas a través de la descomposición a una velocidad tan baja que una pequeña cantidad del isótopo puede Dura miles de millones de años. Otros isótopos más radiactivos, como el magnesio-38, existen solo durante una fracción de segundo antes de descomponerse en otros elementos. Los isótopos de vida corta, por definición, no duran mucho y son raros en el universo. Así que si quieres estudiarlo, tienes que hacerlo tú mismo.
Formación de isótopos en el laboratorio
mientras que casi Hay 250 isótopos naturales en la Tierra.los modelos teóricos predicen esto Debería haber 7.000 isótopos en la naturaleza.. Los científicos han usado aceleradores de partículas para producir lo que los rodea 3.000 de estos raros isótopos.
El acelerador FRIB tiene 1,600 pies de largo y está hecho de tres partes dobladas aproximadamente en forma de clip. Dentro de estos compartimentos hay varias cámaras de vacío criogénicas que, alternativamente, atraen y expulsan iones mediante potentes pulsos electromagnéticos. FRIB puede acelerar cualquier isótopo natural, ya sea tan ligero como el oxígeno o tan pesado como el uranio, hasta casi La mitad de la velocidad de la luz.
Para crear un radioisótopo, simplemente haga estallar este haz de iones en un objetivo sólido, como una pieza de metal de berilio o un disco giratorio de carbono.
El efecto del haz de iones en el objetivo de fragmentación. Rompe el núcleo del isótopo estable. Produce varios cientos de isótopos raros simultáneamente. Para aislar isótopos interesantes o novedosos del resto, existe un separador entre el objetivo y el sensor. Las partículas con el impulso y la carga eléctrica correctos pasarán por el separador mientras que el resto se absorbe. solo un Un subconjunto de los análogos deseados llegará en muchos instrumentos Construido para monitorear la naturaleza de las partículas.
La probabilidad de que se forme cualquier isótopo dado durante una sola colisión puede ser muy pequeña. Las probabilidades de formar algunos isótopos exóticos raros podrían ser de un orden de magnitud. 1 en cuatrillones – Casi las mismas probabilidades de ganar premios mayores consecutivos de Mega Millions. Pero los poderosos haces de iones que utiliza FRIB contienen tantos iones y producen tantas colisiones en un solo experimento que el equipo podría esperar razonablemente. Encuentra incluso los isótopos más raros. Según los cálculos, el acelerador FRIB debería ser capaz de hacer esto Produce aproximadamente el 80% de todos los isótopos..
Los dos primeros experimentos científicos del FRIB
Un equipo multiinstitucional dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), la Universidad de Tennessee, Knoxville (UTK), la Universidad Estatal de Mississippi y la Universidad Estatal de Florida, junto con investigadores de la MSU, ha comenzado a realizar el primer experimento en FRIB el 9 de mayo de 2023. El grupo dirigió un haz de calcio 48, un núcleo de calcio con 48 neutrones en lugar de los 20 habituales, a un objetivo de berilio con 1 kilovatio de energía. Incluso a un cuarto de uno por ciento de la potencia máxima de la instalación de 400 kilovatios, aproximadamente 40 isótopos diferentes pasaron a través del separador en Instrumentos.
El instrumento FDSi registró cuándo llegó cada ion, qué isótopo era y cuándo se descompuso. Usando esta información, la colaboración dedujo la vida media de los isótopos. equipo ya informó cinco vidas medias previamente desconocidas.
El segundo experimento FRIB comenzó el 15 de junio de 2023, dirigido por una colaboración de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ORNL, UTK y MSU. La instalación aceleró un haz de selenio-82 y lo usó para producir isótopos raros de los elementos escandio, calcio y potasio. Estos isótopos se encuentran comúnmente en las estrellas de neutrones, y el objetivo del experimento era comprender mejor el tipo de radiactividad que emiten estos isótopos cuando se desintegran. Comprender este proceso puede arrojar luz sobre ¿Cómo pierden energía las estrellas de neutrones?.
Los primeros dos experimentos de FRIB fueron solo la punta del iceberg de las capacidades de esta nueva instalación. En los próximos años, FRIB está listo para explorar cuatro grandes preguntas en física nuclear: primero, ¿cuáles son las propiedades de los núcleos atómicos con una gran diferencia entre el número de protones y neutrones? Segundo, ¿cómo se forman los elementos del universo? Tercero, ¿entienden los físicos las simetrías fundamentales del universo, como por qué hay más materia que antimateria en el universo? Finalmente, ¿cómo se puede aplicar la información de isótopos raros en medicina, industria y seguridad nacional?
Sean Ledeckprofesor asociado de química, Universidad del estado de michigan Y el artemisa espiroprofesor de física nuclear, Universidad del estado de michigan
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