Долгожданный ускоритель готов исследовать происхождение элементов



Вид с воздуха на установку для пучков редких изотопов в кампусе Мичиганского государственного университета.Предоставлено: Установка для пучков редких изотопов

Одно из заветных желаний физиков-ядерщиков вот-вот сбудется. После многолетнего ожидания акселератор стоимостью 942 миллиона долларов США в Мичигане официально открывается 2 мая. Его эксперименты наметят неизведанные области ландшафта экзотических атомных ядер и прольют свет на то, как звезды и взрывы сверхновых создают большинство элементов во Вселенной.

«Этот проект стал воплощением мечты всего сообщества ядерной физики», — говорит Ани Апрахамян, физик-ядерщик из Университета Нотр-Дам в Индиане. Кейт Джонс, изучающая ядерную физику в Университете Теннесси в Ноксвилле, согласна с этим. «Это долгожданный объект для нас», — говорит она.

Бюджет установки для пучков редких изотопов (FRIB) в Мичиганском государственном университете (MSU) в Ист-Лансинге составлял 730 миллионов долларов, большая часть из которых финансировалась Министерством энергетики США, а вклад штата Мичиган – 94,5 миллиона долларов. МГУ внес дополнительные 212 миллионов долларов различными способами, включая землю. Он заменяет более ранний ускоритель Национального научного фонда под названием Национальная сверхпроводящая циклотронная лаборатория (NSCL) на том же сайте. Строительство FRIB началось в 2014 году и было завершено в конце прошлого года, «на пять месяцев раньше и в рамках бюджета», — говорит физик-ядерщик Брэдли Шерил, научный директор FRIB.

В течение десятилетий физики-ядерщики стремились к установке такой мощности, которая могла бы производить редкие изотопы на несколько порядков быстрее, чем это возможно с помощью NSCL и аналогичных ускорителей по всему миру. Первые предложения по такой машине поступили в конце 1980-х, а консенсус был достигнут в 1990-х. «Сообщество было непреклонно в том, что нам необходимо получить такой инструмент, — говорит Витольд Назаревич, физик-ядерщик и главный научный сотрудник FRIB.

Внутренние работы

Все эксперименты FRIB будут начинаться в подвале объекта. Атомы определенного элемента, обычно урана, будут ионизированы и отправлены в ускоритель длиной 450 метров, который сгибается, как скрепка, чтобы поместиться в зале длиной 150 метров. В конце трубы пучок ионов попадет на графитовое колесо, которое непрерывно вращается, чтобы избежать перегрева какой-либо конкретной точки. Большая часть ядер пройдет через графит, но часть столкнется с его ядрами углерода. Это заставляет ядра урана распадаться на более мелкие комбинации протонов и нейтронов, каждая из которых является ядром другого элемента и изотопа.

Затем этот луч различных ядер будет направлен к «сепаратору фрагментов» на уровне земли. Сепаратор состоит из ряда магнитов, которые отклоняют каждое ядро ​​вправо, каждое под углом, зависящим от его массы и заряда. Настроив этот процесс, операторы FRIB смогут создавать пучок, полностью состоящий из одного изотопа, для каждого конкретного эксперимента.

Затем нужный изотоп можно направить через лабиринт лучевых труб в один из многих экспериментальных залов. По словам Шеррилла, в случае самых редких изотопов скорость производства может составлять всего одно ядро ​​в неделю, но лаборатория сможет доставить и изучить почти каждое из них.

Уникальной особенностью FRIB является то, что у него есть второй ускоритель, который может брать редкие изотопы и разбивать их о неподвижную цель, чтобы имитировать высокоэнергетические столкновения, происходящие внутри звезд или сверхновых.

FRIB начнет работать с относительно низкой интенсивностью пучка, но его ускоритель будет постепенно увеличивать скорость производства ионов, которая на несколько порядков выше, чем у NSCL. Каждый ион урана также будет двигаться быстрее к графитовой мишени, неся энергию 200 мегаэлектронвольт по сравнению с 140 МэВ, переносимыми ионами в NSCL. По словам Шеррилла, более высокая энергия FRIB находится в идеальном диапазоне для производства огромного количества различных изотопов, в том числе сотен, которые никогда раньше не синтезировались.

Грань знаний

Физики в восторге от того, что FRIB появится в сети, потому что их знания об изотопном ландшафте все еще носят предварительный характер. Силы, удерживающие атомные ядра вместе, в принципе являются результатом сильного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы и той же самой силы, которая связывает вместе три кварка, образуя нейтрон или протон. Но ядра — это сложные объекты со многими движущимися частями, и невозможно точно предсказать их структуру и свойства из первых принципов, — говорит Назаревич.

Поэтому исследователи придумали множество упрощенных моделей, которые предсказывают некоторые особенности определенного диапазона ядер, но могут не сработать или дать только приблизительные оценки за пределами этого диапазона. Это относится даже к базовым вопросам, таким как скорость распада изотопа — его период полураспада — или может ли он вообще образовываться, — говорит Назаревич. «Если вы спросите меня, сколько существует изотопов олова или свинца, ответ будет дан с большой погрешностью», — говорит он. FRIB сможет синтезировать сотни ранее ненаблюдавшихся изотопов (см. «Неисследованные ядра») и, измеряя их свойства, начнет проверять многие ядерные модели.

НЕИЗВЕСТНЫЕ ЯДРА.  Диаграмма, показывающая измеренные и наблюдаемые изотопы по сравнению с теми, которые потенциально будут произведены FRIB.

Источник: Нефкур, Л. и другие. физ. Преподобный С 101044307 (2020)

Джонс и другие будут особенно заинтересованы в изучении изотопов с «магическим» числом протонов и нейтронов — например, 2, 8, 20, 28 или 50 — которые делают структуру ядра особенно стабильной, поскольку они образуют полные энергетические уровни (известные как ракушки). Магические изотопы особенно важны, потому что они обеспечивают самые точные тесты для теоретических моделей. В течение многих лет Джонс и ее группа изучали изотопы олова с все меньшим количеством нейтронов, приближаясь к олову-100, которое имеет магические числа как нейтронов, так и протонов.

Теоретические неопределенности также означают, что у исследователей пока нет подробного объяснения того, как образовались все элементы периодической таблицы. Большой взрыв произвел по существу только водород и гелий; другие химические элементы в таблице, вплоть до железа и никеля, образовались в основном в результате ядерного синтеза внутри звезд. Но более тяжелые элементы не могут образовываться при синтезе. Они были выкованы другими способами — обычно посредством радиоактивного β-распада. Это происходит, когда ядро ​​получает так много нейтронов, что становится нестабильным, и один или несколько его нейтронов превращаются в протон, создавая элемент с более высоким атомным номером.

Это может произойти, когда ядра бомбардируются нейтронами во время коротких, но катастрофических событий, таких как сверхновая или слияние двух нейтронных звезд. Наиболее хорошо изученное событие этого типа, которое наблюдалось в 2017 году, согласуется с моделями, в которых сталкивающиеся шары производят элементы тяжелее железа. Но астрофизики не могли наблюдать, какие именно элементы были созданы или в каких количествах, говорит Хендрик Шац, астрофизик-ядерщик из МГУ. По его словам, одной из основных сильных сторон FRIB будет исследование изотопов, богатых нейтронами, которые образуются во время этих событий.

Сверхпроводящий радиочастотный линейный ускоритель, расположенный в туннеле линейного ускорителя на Установке для пучков редких изотопов.

Линейный ускоритель FRIB состоит из 46 криомодулей, которые ускоряют ионные пучки, работая при температурах на несколько градусов выше абсолютного нуля.Предоставлено: Установка для пучков редких изотопов

Установка поможет ответить на фундаментальный вопрос: «Сколько нейтронов можно добавить к ядру и как это меняет взаимодействия внутри ядра?» — говорит Ану Канкайнен, физик-экспериментатор из Университета Ювяскюля в Финляндии.

FRIB будет дополнять другие современные ускорители, изучающие ядерные изотопы, говорит Клаус Блаум, физик из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Установки в Японии и России оптимизированы для производства максимально тяжелых элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Строительство объекта для исследований антипротонов и ионов (FAIR) стоимостью 3,1 миллиарда евро, строящегося в Дармштадте, Германия, планируется завершить в 2027 году (хотя замораживание участия России после вторжения в Украину может привести к некоторым задержкам). . FAIR будет производить антиматерию так же, как и материю, и сможет хранить ядра в течение более длительных периодов времени. «Вы не можете делать все на одной машине», — говорит Блаум, который был членом консультативных комитетов как FRIB, так и FAIR.