一个新的美国实验室创造了地球上尚未记录的原子副本| 粒子物理学

从碳到铀，从氧到铁，化学元素是我们周围世界和更广阔宇宙的基石。 现在，物理学家希望通过一个新设施的启用，对它们的起源进行前所未有的一瞥，该设施将创造出地球上从未记录过的数千个奇怪且不稳定的原子版本。

通过研究这些被称为同位素的版本，他们希望对产生的相互作用获得新的见解 超新星内部的元素，以及测试关于“强力”的理论 – 自然界的四种基本力之一，它将质子和中子在原子核中结合在一起。 该设施还可以生产用于医疗用途的新类似物。

原子由质子、中子和电子组成。 质子的数量决定了原子的化学行为以及它是哪种元素——例如碳总是有六个质子，金是 79——而具有不同中子数量的相同元素的原子称为同位素。

由于许多同位素不稳定且迅速衰变——有时以毫秒为单位——科学家们只研究了被认为存在的那些同位素中的一小部分。

密歇根州立大学稀有同位素射线设施 (FRIB) 的科学主任布拉德利·谢里尔教授说：“地球上发现了 285 种元素同位素，但我们认为甚至可能有 10,000 种元素同位素，甚至是铀。” 该大学于5月2日正式开学。 “FRIB 的目标是在技术允许的情况下，尽可能多地从其他同行那里访问这个广阔的景观。”

其中一些“稀有同位素”可能会导致对元素形成至关重要的反应，因此通过研究它们，物理学家希望能够更好地了解宇宙的化学历史——包括我们是如何来到这里的。

绝大多数元素被认为起源于超新星内部，但“在许多情况下，我们不知道哪些恒星创造了哪些元素，因为这些相互作用涉及不稳定的同位素——我们不容易掌握的东西，”教授说萨里大学的核物理学家加文·洛泰 (Gavin Lotay) 计划使用新设施来研究中子星内部称为 X 射线爆发的常见爆炸。

另一个目标是充分了解原子核，以便开发出一个全面的模型，这可以为它们在为恒星产生能量或核电站内发生的反应中所起的作用提供新的见解。

该设施还可以生产医学上有用的类似物。 医生已经在宠物检查和某些类型的放射治疗中使用放射性同位素，但发现更多同位素可能有助于改善诊断成像或提供发现和破坏肿瘤的新方法。

为了产生这些同位素，FRIB 会将一束原子核加速到光速的一半，然后将其送入一个 450 米长的管子，然后将其粉碎成一个目标，将一些原子分解成更小的质子和中子组。 然后一系列磁铁将过滤出所需的同位素并将它们引导到实验室进行进一步研究。

“在百万分之一秒内，我们可以选择一个特定的同位素并将其提交给一个实验，其中 [scientists] “我们可能会捕获它并观察它的放射性衰变，或者我们可能会用它来诱导另一个核反应并使用这些反应产物来告诉我们有关同位素结构的一些信息，”Sherrill 说。

第一个实验将涉及制造最重的氟、铝、镁和氖同位素，并将放射性衰变率与当前模型预测的进行比较。 “如果我们的观察结果与我们的预期一致，那将是一个惊喜，”谢丽尔说。 “他们可能不会同意，然后我们将利用这种分歧来改进我们的模型。”

大约一个月后，FRIB 研究人员计划测量被认为存在于中子星中的同位素的放射性衰变——中子星是宇宙中一些最致密的物体，是在一颗大质量恒星耗​​尽燃料并坍缩时形成的——以更好地了解它们的行为。

“最后，我们拥有了使人们能够进行他们等待了 30 年的研究的工具，”Cheryl 说。 “这就像拥有一个新的、更大的望远镜，它可以比以往任何时候都更深入地观察宇宙——只是我们看到的核景观比我们以前所能看到的更远。只要你有这样的新仪器，就有潜力为了发现。”