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 malzeme parçasına çarpana ve nadir izotopların patlamasıyla sonuçlanana kadar, odanın içinden ışık hızının yaklaşık yarısı kadar sessizce geçer.
Tüm bunlar, Michigan Eyalet Üniversitesi tarafından ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi için işletilen Nadir İzotop Kirişleri Tesisinde veya FRIB’de gerçekleşiyor. Mayıs 2022’den itibaren, ulusal ve uluslararası bilim insanı 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 içgörüler sağlamayı vaat ediyordu.
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 tatlarıdır.
FRIB’deki hızlandırıcı düşük güçte çalışmaya başladı, ancak tam güce ulaşmayı bitirdiğinde, Dünya üzerindeki en güçlü ağır iyon hızlandırıcısı olacak. FRIB, ağır iyonları – elementlerin elektrik yüklü atomlarını – hızlandırarak, bizim gibi bilim adamlarının daha önce hiç görülmemiş binlerce izotop oluşturmasına ve üzerinde çalışmasına olanak tanıyacak. Dünyanın her yerinden yaklaşık 1.600 nükleer bilimciden oluşan bir topluluk , yeni parçacık hızlandırıcının sağladığı bilimi yapmaya başlamak için on yıldır 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 halihazırda yaklaşık 100 nadir izotop üretmiş ve tespit etmiştir . Bu erken sonuçlar, araştırmacıların evrendeki en nadir fiziğin bazılarını öğrenmelerine yardımcı oluyor.
Nadir bir izotop nedir?
Çoğu izotopu üretmek inanılmaz derecede yüksek miktarda enerji gerektirir. Doğada, ağır nadir izotoplar, süpernova adı verilen büyük kütleli yıldızların afetsel ölümleri sırasında veya iki nötron yıldızının birleşmesi sırasında üretilir .
Çıplak gözle, herhangi bir elementin iki izotopu aynı şekilde görünür ve 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 oldukları için nispeten daha nadirdirler.
Yine de tüm çürüme aynı oranda olmaz. 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, tanım gereği, uzun süre hayatta kalmazlar ve evrende nadir bulunurlar. Bu yüzden onları incelemek istiyorsanız, onları kendiniz yapmalısınız.
Laboratuarda izotop oluşturma
Dünya’da doğal olarak sadece 250 civarında izotop bulunurken , teorik modeller doğada yaklaşık 7.000 izotop bulunması gerektiğini öngörüyor . Bilim adamları , bu nadir izotoplardan yaklaşık 3.000 tane üretmek için parçacık hızlandırıcıları kullandılar .
FRIB hızlandırıcı 1.600 fit uzunluğunda ve kabaca bir ataç şeklinde katlanmış üç parçadan oluşuyor. Bu segmentler içinde, alternatif olarak güçlü elektromanyetik darbeler kullanarak 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 metal parçası veya dönen bir karbon diski gibi katı bir hedefe çarpmanız yeterlidir.
Büyük bir tüp içinde karmaşık bir makine.
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 araç vardır. Nadir İzotop Kirişleri Tesisi , CC BY-ND
İyon ışınının 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 ulaşabilecektir.
Tek bir çarpışma sırasında herhangi bir özel izotop oluşturma olasılığı çok küçük olabilir. Daha nadir egzotik izotoplardan bazılarını yaratma ihtimali katrilyonda 1 mertebesinde 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 makul bir şekilde en nadir izotopları bile bulmayı bekleyebilir . Hesaplamalara göre, FRIB’nin hızlandırıcısı tüm teorik izotopların yaklaşık %80’ini üretebilmelidir .
İlk iki FRİB 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 ilk deneyi yürütmeye başladı. 9 Mayıs 2022’de FRIB’de. Grup, 1 kW güçte bir berilyum hedefine bir kalsiyum-48 ışını – normal 20 nötron yerine 28 nötron içeren bir kalsiyum çekirdeği – yönlendirdi. Tesisin 400 kW’lık maksimum gücünün yüzde dörtte birinde bile, yaklaşık 40 farklı izotop separatörden aletlere geçti .
FDSi cihazı, her bir iyonun geldiği zamanı, hangi izotop olduğunu ve ne zaman bozunduğunu kaydetti. İşbirliği, 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 işbirliğiyle 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 genellikle nötron yıldızlarında 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 yeteneklerinin 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, evrende elementler nasıl oluşur? Üçüncüsü, fizikçiler, evrende neden antimaddeden çok madde olduğu gibi, evrenin temel simetrilerini anlıyorlar mı? Son olarak, nadir izotoplardan elde edilen bilgiler tıpta, endüstride ve ulusal güvenlikte nasıl uygulanabilir?