Von Kohlenstoff bis Uran und von Sauerstoff bis Eisen sind die chemischen Elemente die Bausteine der Welt um uns herum und des weiteren Universums. Jetzt hoffen Physiker, mit der Eröffnung einer neuen Einrichtung, die Tausende von seltsamen und instabilen Versionen von Atomen erzeugen wird, die noch nie zuvor auf der Erde aufgezeichnet wurden, einen beispiellosen Einblick in ihre Ursprünge zu bekommen.
Durch die Untersuchung dieser Versionen, die als Isotope bekannt sind, hoffen sie, neue Einblicke in die Wechselwirkungen zu gewinnen, die entstanden sind Elemente innerhalb von Supernovae, sowie die Prüfung von Theorien über die „starke Kraft“ – eine der vier Grundkräfte in der Natur, die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms aneinander binden. Die Anlage kann auch neue Isotope für medizinische Zwecke produzieren.
Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt das chemische Verhalten eines Atoms und um welches Element es sich handelt – zB Kohlenstoff hat immer sechs Protonen, Gold 79 – während Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl als Isotope bezeichnet werden.
Da viele Isotope instabil sind und schnell zerfallen – manchmal in Millisekunden – haben Wissenschaftler nur einen kleinen Prozentsatz dieser Isotope untersucht, von denen angenommen wird, dass sie existieren.
„Es gibt 285 Isotope von Elementen auf der Erde, aber wir glauben, dass es wahrscheinlich 10.000 Isotope von Elementen gibt, sogar von Uran“, sagte Professor Bradley Sherrill, wissenschaftlicher Direktor der Rare Isotope Rays Facility (FRIB) im Bundesstaat Michigan. Die Universität wurde offiziell am 2. Mai eröffnet. „Das Ziel von FRIB ist es, anderen Peers so viel Zugang zu dieser riesigen Landschaft zu bieten, wie es die Technologie zulässt.“
Einige dieser „seltenen Isotope“ können zu Reaktionen führen, die für die Bildung der Elemente entscheidend sind. Physiker hoffen also, durch ihre Untersuchung ein besseres Verständnis der chemischen Geschichte des Universums zu erlangen – einschließlich der Frage, wie wir hierher gekommen sind.
Es wird angenommen, dass die überwiegende Mehrheit der Elemente in Supernovae entstanden ist, aber „in vielen Fällen wissen wir nicht, welche Sterne welche Elemente erzeugt haben, weil diese Wechselwirkungen instabile Isotope beinhalten – Dinge, an die wir nicht leicht herankommen können“, sagte Professor Gavin Lotay, ein Nuklearphysiker von der University of Surrey, der plant, die neue Einrichtung zu nutzen, um gewöhnliche Explosionen, sogenannte Röntgenausbrüche, in Neutronensternen zu untersuchen.
Ein weiteres Ziel ist es, Atomkerne gut genug zu verstehen, um ein umfassendes Modell von ihnen zu entwickeln, das neue Einblicke in ihre Rolle bei der Energieerzeugung für Sterne oder die Reaktionen in Kernkraftwerken liefern könnte.
Die Einrichtung kann auch medizinisch nützliche Analoga herstellen. Ärzte verwenden Radioisotope bereits bei Haustieruntersuchungen und einigen Arten der Strahlentherapie, aber die Entdeckung weiterer Isotope könnte dazu beitragen, die diagnostische Bildgebung zu verbessern oder neue Wege zum Auffinden und Zerstören von Tumoren zu eröffnen.
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Um diese Isotope zu erzeugen, wird FRIB einen Strahl von Atomkernen auf halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und ihn durch eine 450 Meter lange Röhre schicken, bevor er auf ein Ziel geschleudert wird, das einige der Atome in kleinere Gruppen von Protonen und Neutronen zerlegt. Eine Reihe von Magneten filtert dann die gewünschten Isotope heraus und leitet sie zur weiteren Untersuchung in Versuchskammern.
„Innerhalb einer millionstel Sekunde können wir ein bestimmtes Isotop auswählen und einem Experiment unterziehen [scientists] „Wir könnten es einfangen und seinen radioaktiven Zerfall beobachten, oder wir könnten es verwenden, um eine weitere Kernreaktion auszulösen und diese Reaktionsprodukte verwenden, um uns etwas über die Struktur des Isotops zu sagen“, sagte Sherrill.
Die ersten Experimente umfassen die Herstellung der schwerstmöglichen Isotope von Fluor, Aluminium, Magnesium und Neon und den Vergleich radioaktiver Zerfallsraten mit denen, die von aktuellen Modellen vorhergesagt werden. „Es wäre eine Überraschung, wenn unsere Beobachtungen mit unseren Erwartungen übereinstimmen würden“, sagte Cheryl. „Sie werden wahrscheinlich nicht zustimmen, und dann werden wir diese Meinungsverschiedenheit nutzen, um unsere Modelle zu verbessern.“
Etwa einen Monat später planen FRIB-Forscher, den radioaktiven Zerfall von Isotopen zu messen, von denen angenommen wird, dass sie in Neutronensternen existieren – einigen der dichtesten Objekte im Universum, die entstanden, als einem massiven Stern der Treibstoff ausging und er zusammenbrach –, um ihr Verhalten besser zu verstehen.
„Endlich haben wir die Tools, die es den Menschen ermöglichen, die Forschung durchzuführen, auf die sie 30 Jahre gewartet haben“, sagte Cheryl. „Es ist, als hätte man ein neues, größeres Teleskop, das mehr als je zuvor ins Universum blicken kann – nur werden wir weiter in die nukleare Landschaft blicken, als wir vorher sehen konnten. Wann immer Sie ein neues Instrument wie dieses haben, gibt es Potenzial zum Entdecken.“