На этой неделе заработает мощный в мире коллайдер тяжелых ионов

Исследователи объявили 2 мая, что самый мощный в мире ускоритель тяжелых ионов, который будет создавать новые экзотические атомы и покажет, как звезды и сверхновые создают элементы, из которых состоит наша Вселенная, наконец-то завершен. На этой неделе планируется начать эксперименты на установке для пучков редких изотопов стоимостью 730 миллионов долларов (FRIB) в Мичиганском государственном университете (МГУ).

После включения новый реактор будет стрелять друг в друга двумя тяжелыми атомными ядрами, разделяя их таким образом, чтобы ученые могли изучить, что склеивает их вместе и чем отличаются редкие атомные изотопы — версии химических элементов с разным числом нейтронов в ядрах.

Хотя прошлые ускорители тяжелых ионов (такие как Национальная сверхпроводящая циклотронная лаборатория, предыдущий ускоритель МГУ) позволяли ученым мельком увидеть экзотические атомы, они не производили их с достаточно высокой скоростью, чтобы сделать возможным подробное исследование.

По словам ученых МГУ, новый ускоритель FRIB предоставит исследователям доступ к более чем 1000 новых изотопов, что даст им новое представление о новых методах лечения рака, радиометрическом датировании древних материалов и ядерной безопасности.

«FRIB станет основным элементом исследовательской инфраструктуры нашей страны», — заявил на церемонии перерезания ленточки директор лаборатории FRIB Томас Гласмахер, сообщает Lansing State Journal. «Более 1600 ученых хотят приехать сюда, потому что мы будем лучшим, самым мощным сверхпроводящим линейным ускорителем тяжелых ионов». Физики в восторге от FRIB, потому что он может дать гораздо более четкое представление о ландшафте возможных атомных изотопов.

Сейчас у физиков есть хорошее представление о том, что удерживает ядра вместе — одно из четырех фундаментальных взаимодействий, называемых сильным взаимодействием, — и они создали большое количество моделей, чтобы предсказать, как могут выглядеть некоторые ненаблюдаемые атомные ядра.

Но ядра сложны и могут склеиваться удивительным образом, что делает модели слишком упрощенными. Некоторые ядра, предсказанные моделями, например, могут быть недостаточно прочными, чтобы существовать.

Другие вопросы, на которые ученые надеются ответить, включают в себя, насколько хорошо современные модели описывают самые стабильные изотопы, и как элементы тяжелее железа и никеля (последние два являются самыми тяжелыми элементами, образующимися в результате ядерного синтеза в звездах) образуются в результате радиоактивного бета-распада.

Бета-распад происходит, когда атомное ядро ​​поглощает нейтрон или когда один из его нейтронов становится протоном, что делает ядро ​​нестабильным. Ученые считают, что элементы, образующиеся в результате бета-распада, обычно являются побочными продуктами сверхновых или столкновений нейтронных звезд, но до сих пор не смогли проверить или изучить, какие виды элементов образуются и в каких пропорциях во время этих небесных процессов.

Но FRIB предоставит способ окончательно проверить эти предположения, например, если его ускорители ускорят отдельные изотопы, прежде чем врезаться в цель, что позволит ученым моделировать столкновения, происходящие внутри звезд и сверхновых. Чтобы получить изотопы для изучения, физики будут выбирать атомы очень тяжелого элемента, такого как уран, прежде чем лишить их электронов, чтобы превратить их в ионы.

Затем они запустят их по трубе длиной 1476 футов (450 метров) на полпути к скорости света. В конце трубы пучок ионов попадет в графитовое колесо, расщепляясь на более мелкие комбинации нейтрон-протон или изотопы. Направляя эти свежеприготовленные изотопы через ряд точно регулируемых магнитов, физики смогут тщательно выбирать, какой изотоп они хотят отправить в один из экспериментальных залов объекта для дальнейшего изучения.

В конечном итоге к FRIB присоединится еще один ускоритель атома — Центр исследований антипротонов и ионов (FAIR) стоимостью 3,27 миллиарда долларов, который в настоящее время строится в Дармштадте, Германия. Ускоритель, который должен быть завершен в 2027 году, был разработан для производства антивещества, а также материи, и сможет хранить производимые им ядра в течение более длительных периодов времени, чем FRIB.