By Hafifah Aman 
على بعد بضع مئات من الأقدام من مكان جلوسنا توجد غرفة معدنية كبيرة خالية من الهواء ومغطاة بالأسلاك اللازمة للتحكم في الأدوات بداخلها. ينتقل شعاع من الجسيمات بصمت عبر داخل الغرفة بنصف سرعة الضوء حتى يصطدم بجسم صلب ، وينفجر بنظائر نادرة.
كل هذا يحدث مرفق لأشعة النظائر النادرة، أو FRIB ، تديره جامعة ولاية ميشيغان لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. بدءًا من مايو 2022 ، اجتمعت فرق من العلماء الوطنيين والدوليين في جامعة ولاية ميشيغان لإجراء تجارب علمية في FRIB بهدف إنشاء وعزل وتحليل نظائر جديدة. وعدت التجارب بتقديم رؤى جديدة لطبيعة الكون الأساسية.
من خلال تسريع الأيونات الثقيلة – ذرات العناصر المشحونة كهربائيًا – سيسمح FRIB للعلماء مثلنا بتكوين ودراسة الآلاف من النظائر التي لم يسبق رؤيتها من قبل.
نحن أستاذان الكيمياء النووية و الفيزياء الذرية أولئك الذين يدرسون النظائر النادرة. النظائر هي ، بمعنى ما ، نكهات مختلفة لعنصر لها نفس عدد البروتونات في نواتها ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات.
بدأ المسرع في FRIB العمل بطاقة منخفضة ، ولكن عندما يصل إلى الطاقة الكاملة ، سيكون أقوى معجل للأيونات الثقيلة على وجه الأرض. من خلال تسريع الأيونات الثقيلة – ذرات العناصر المشحونة كهربائيًا – سيسمح FRIB للعلماء مثلنا بتكوين ودراسة الآلاف من النظائر التي لم يسبق رؤيتها من قبل. مجتمع تقريبا 1600 عالم نووي من جميع أنحاء العالم عقد من الزمان ينتظر أن يبدأ العلم ، مدعومًا بمسرع جسيمات جديد.
ال التجارب الأولى في FRIB اكتمل في صيف 2022. على الرغم من أن المرفق يعمل حاليًا بجزء بسيط من طاقته الكاملة ، فقد تم بالفعل تكوين العديد من التعاون العلمي ويعمل في FRIB اكتشف حوالي 100 نظير نادر. تساعد هذه النتائج الأولية الباحثين في التعرف على بعض الفيزياء النادرة في الكون.
https://www.youtube.com/watch؟v=yGHuZnfnUtI
تعتبر النظائر النادرة مشعة وتتحلل بمرور الوقت لأنها تصدر إشعاعات – تظهر هنا على شكل خطوط من قطعة صغيرة من اليورانيوم في اللب.
ما هو النظير النادر؟
تتطلب معظم النظائر كمية عالية بشكل لا يصدق من الطاقة لتكوينها. في الطبيعة ، يتم إنتاج ما يسمى بالنظائر النادرة الثقيلة أثناء الموت الكارثي للنجوم الضخمة المستعرات الأعظمية او متى اندماج نجمين نيوترونيين.
بالنسبة للعين المجردة ، لا يوجد نظيران متماثلان لأي عنصر – تبدو جميع نظائر الزئبق مثل المعدن السائل المستخدم في موازين الحرارة القديمة. ومع ذلك ، نظرًا لأن نوى نظائر العنصر نفسه لها أعداد مختلفة من النيوترونات ، فإنها تختلف في مدة حياتها ، ونوع الإشعاع الذي تصدره ، وما إلى ذلك.
يمكن لـ FRIB تسريع أي نظير موجود بشكل طبيعي – سواء كان خفيفًا مثل الأكسجين أو ثقيلًا مثل اليورانيوم – إلى نصف سرعة الضوء.
على سبيل المثال ، بعض النظائر مستقرة ولا تتحلل أو تصدر إشعاعات ، لذا فهي شائعة في الكون. قد تكون نظائر أخرى لنفس العنصر مشعة ، لذا فإنها تتحلل حتما عندما تتحول إلى عناصر أخرى. نظرًا لأن النظائر المشعة تختفي بمرور الوقت ، فهي نادرة نسبيًا.
لا يحدث كل الاضمحلال بنفس المعدل. تنبعث بعض العناصر المشعة – مثل البوتاسيوم -40 – من الجسيمات عن طريق التحلل بمعدل أقل إلى كميات أصغر من النظائر. يدوم لمليارات السنين. النظائر المشعة الأخرى ، مثل المغنيسيوم 38 ، موجودة فقط لجزء من الثانية قبل أن تتحلل إلى عناصر أخرى. النظائر قصيرة العمر ، بحكم التعريف ، لا تدوم طويلا وهي نادرة في الكون. لذلك إذا كنت تريد قراءتها ، فعليك أن تصنعها بنفسك.
تكوين النظائر في المختبر
عندما فقط حول يوجد 250 نظيرًا طبيعيًا على الأرضالنماذج النظرية تقدم تنبؤات حول هناك أكثر من 7000 نظير في الطبيعة. استخدم العلماء مسرعات الجسيمات لإنتاج ما حولها هناك 3000 من هذه النظائر النادرة.
يبلغ طول مسرع FRIB 1600 قدم ويتكون من ثلاثة أقسام مطوية تقريبًا على شكل مشبك ورق. يوجد داخل هذه الأقسام العديد من غرف التفريغ شديدة البرودة التي تسحب وتدفع الأيونات بالتناوب باستخدام نبضات كهرومغناطيسية قوية. يمكن لـ FRIB تسريع أي نظير موجود بشكل طبيعي – سواء كان خفيفًا مثل الأكسجين أو ثقيلًا مثل اليورانيوم – إلى ما يقرب من. نصف سرعة الضوء.
لإنشاء نظائر مشعة ، تحتاج إلى كسر شعاع من هذه الأيونات إلى هدف صلب ، مثل قطعة من معدن البريليوم أو قرص غزل من الكربون.
تأثير شعاع أيون على هدف تجزئة يكسر نواة نظير مستقر وتنتج المئات من النظائر النادرة في وقت واحد. يوجد فاصل بين الهدف وأجهزة الاستشعار لعزل النظائر المثيرة للاهتمام أو الجديدة عن نظائر أخرى. يتم إرسال الجسيمات ذات السرعة الصحيحة والشحنة الكهربائية عبر الفاصل بينما يتم امتصاص الباقي. أ ستصل مجموعة فرعية من النظائر المرغوبة إلى العديد من الأدوات بنيت لمراقبة طبيعة الجسيمات.
إن احتمال إنتاج نظير معين أثناء تصادم واحد ضئيل للغاية. قد تكون احتمالات تكوين بعض النظائر النادرة بالترتيب 1 في كوادريليون – تقريبًا نفس احتمالات الفوز بالجوائز الكبرى Mega Millions مرارًا وتكرارًا. لكن حزم الأيونات القوية التي يستخدمها FRIB تحتوي على العديد من الأيونات وتنتج العديد من الاصطدامات في تجربة واحدة ، وهو ما يمكن أن يتوقعه الفريق بشكل معقول. يمكن اكتشاف نظائر أكثر ندرة. وفقًا للحسابات ، يمكن لمسرع FRIB ينتج ما يقرب من 80٪ من جميع النظائر النظرية.
أول تجربتين علميتين لـ FRIB
بدأ فريق متعدد المؤسسات بقيادة باحثين من مختبر لورانس بيركلي الوطني ، ومختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) ، وجامعة تينيسي ، ونوكسفيل (UTK) ، وجامعة ولاية ميسيسيبي وجامعة ولاية فلوريدا ، جنبًا إلى جنب مع باحثين من جامعة ولاية ميشيغان ، في إجراء التجربة الأولى . في 9 مايو 2022 في FRIB. أطلق الفريق شعاعًا من الكالسيوم -48 – نواة كالسيوم تحتوي على 48 نيوترونًا بدلاً من 20 نيوترونًا – على هدف من البريليوم بقوة 1 كيلو وات. حتى عند ربع في المائة من الطاقة القصوى للمنشأة البالغة 400 كيلوواط ، مر حوالي 40 نظيرًا مختلفًا عبر الفاصل. أدوات.
سجل جهاز FDSi وقت وصول كل أيون ، والنظير الذي كان عليه ، ومتى تلاشى. باستخدام هذه المعلومات ، استنتج التعاون أنصاف عمر النظائر. الفريق موجود بالفعل تم الإبلاغ عن خمسة أنصاف عمر لم تكن معروفة من قبل.
تم إطلاق تجربة FRIB الثانية في 15 يونيو 2022 ، بالتعاون مع باحثين من مختبر لورانس ليفرمور الوطني و ORNL و UTK و MSU. قامت المنشأة بتسريع شعاع من السيلينيوم 82 واستخدمته لإنتاج نظائر نادرة لعناصر سكانديوم والكالسيوم والبوتاسيوم. توجد هذه النظائر بشكل شائع في النجوم النيوترونية ، وكان الهدف من التجربة هو فهم أفضل لنوع الإشعاع الذي تطلقه هذه النظائر عندما تتحلل. يمكن أن يكون فهم هذه العملية مفيدًا كيف تفقد النجوم النيوترونية طاقتها.
أول تجربتين من تجارب FRIB ليست سوى قمة جبل الجليد لقدرات هذه المنشأة الجديدة. في السنوات القادمة ، ستحقق FRIB في أربعة أسئلة كبيرة في الفيزياء النووية: أولاً ، ما هي خصائص النوى مع وجود اختلافات كبيرة في عدد البروتونات والنيوترونات؟ ثانيًا ، كيف تتشكل العناصر في الكون؟ ثالثًا ، هل يفهم الفيزيائيون التناظرات الأساسية للكون ، ولماذا توجد مادة أكثر من المادة المضادة في الكون؟ أخيرًا ، كيف يمكن استخدام المعلومات من النظائر النادرة في الطب والصناعة والدفاع الوطني؟
شون ليدكأستاذ مشارك في الكيمياء ، جامعة ولاية ميشيغان و أرتميس سبيروأستاذ الفيزياء النووية ، جامعة ولاية ميشيغان
تم إعادة نشر هذه المقالة محادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. واصل القراءة المقالة الأصلية.