مختبر أمريكي جديد لإنشاء نسخ من الذرات لم يتم تسجيلها على الأرض | فيزياء الجسيمات

من الكربون إلى اليورانيوم ، ومن الأكسجين إلى الحديد ، فإن العناصر الكيميائية هي اللبنات الأساسية للعالم من حولنا والكون الأوسع. الآن ، يأمل الفيزيائيون في الحصول على لمحة غير مسبوقة عن أصولهم ، مع افتتاح منشأة جديدة ستخلق الآلاف من النسخ الغريبة وغير المستقرة من الذرات التي لم يتم تسجيلها من قبل على الأرض.

من خلال دراسة هذه الإصدارات ، المعروفة باسم النظائر ، فإنهم يأملون في اكتساب رؤى جديدة حول التفاعلات التي خلقت عناصر داخل النجوم المتفجرة، بالإضافة إلى اختبار النظريات حول “القوة الشديدة” – إحدى القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة ، والتي تربط البروتونات والنيوترونات معًا في نواة الذرة. يمكن أن ينتج المرفق أيضًا نظائر جديدة للاستخدام الطبي.

تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. يحدد عدد البروتونات السلوك الكيميائي للذرة وأي عنصر تكون – على سبيل المثال يحتوي الكربون دائمًا على ستة بروتونات ، والذهب 79 – بينما تسمى ذرات نفس العنصر التي تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات نظائر.

نظرًا لأن العديد من النظائر غير مستقرة وتتحلل بسرعة – أحيانًا في أجزاء من الثانية – لم يدرس العلماء سوى نسبة صغيرة من تلك النظائر التي يعتقد أنها موجودة.

قال البروفيسور برادلي شيريل ، المدير العلمي لمنشأة أشعة النظائر النادرة (FRIB) في ولاية ميشيغان: “هناك 285 نظيرًا لعناصر موجودة على الأرض ، لكننا نعتقد أنه من المحتمل أن يكون هناك 10000 نظير للعناصر حتى اليورانيوم”. الجامعة التي افتتحت رسمياً في 2 مايو. “الهدف من FRIB هو توفير أكبر قدر من الوصول إلى هذا المشهد الشاسع من النظائر الأخرى كما تسمح به التكنولوجيا.”

قد تؤدي بعض هذه “النظائر النادرة” إلى تفاعلات حاسمة في تكوين العناصر ، لذلك يأمل الفيزيائيون من خلال دراستها في اكتساب فهم أفضل للتاريخ الكيميائي للكون – بما في ذلك كيف وصلنا إلى هنا.

يُعتقد أن الغالبية العظمى من العناصر قد نشأت داخل النجوم المتفجرة ، ولكن “في كثير من الحالات لا نعرف النجوم التي خلقت أي العناصر ، لأن هذه التفاعلات تتضمن نظائر غير مستقرة – أشياء لا يمكننا الحصول عليها بسهولة ،” قال البروفيسور جافين لوتاي ، عالم الفيزياء النووية بجامعة ساري ، الذي يخطط لاستخدام المنشأة الجديدة للتحقيق في الانفجارات الشائعة التي تسمى انفجارات الأشعة السينية داخل النجوم النيوترونية.

الهدف الآخر هو فهم النوى الذرية جيدًا بما يكفي لتطوير نموذج شامل لها ، والذي يمكن أن يوفر رؤى جديدة للدور الذي تلعبه في توليد الطاقة للنجوم ، أو التفاعلات التي تحدث داخل محطات الطاقة النووية.

يمكن أن ينتج عن المرفق أيضًا نظائر مفيدة طبياً. يستخدم الأطباء بالفعل النظائر المشعة في فحوصات الحيوانات الأليفة وبعض أنواع العلاج الإشعاعي ، ولكن اكتشاف المزيد من النظائر يمكن أن يساعد في تحسين التصوير التشخيصي أو توفير طرق جديدة للبحث عن الأورام وتدميرها.

لتوليد هذه النظائر ، ستقوم FRIB بتسريع شعاع من النوى الذرية إلى نصف سرعة الضوء وإرسالها لإسقاط أنبوب طوله 450 مترًا ، قبل تحطيمها في هدف يتسبب في تفتيت بعض الذرات إلى مجموعات أصغر من البروتونات و النيوترونات. ستعمل سلسلة من المغناطيسات بعد ذلك على تصفية النظائر المرغوبة وتوجيهها إلى غرف تجريبية لمزيد من الدراسة.

“في غضون جزء من المليون من الثانية ، يمكننا اختيار نظير معين وتقديمه إلى تجربة حيث [scientists] قال شيريل: “قد نلتقطه ونراقب تحلله الإشعاعي ، أو قد نستخدمه للحث على تفاعل نووي آخر واستخدام نواتج التفاعل هذه لإخبارنا بشيء عن بنية النظير”.

ستشمل التجارب الأولى صنع أثقل نظائر ممكنة للفلور والألمنيوم والمغنيسيوم والنيون ، ومقارنة معدلات التحلل الإشعاعي بتلك التي تنبأت بها النماذج الحالية. قال شيريل: “ستكون المفاجأة إذا كانت ملاحظاتنا تتفق مع ما كنا نتوقعه”. “على الأرجح لن يوافقوا ، وبعد ذلك سنستخدم هذا الخلاف لتحسين نماذجنا.”

بعد شهر تقريبًا ، يخطط باحثو FRIB لقياس الانحلال الإشعاعي للنظائر التي يُعتقد أنها موجودة داخل النجوم النيوترونية – وهي بعض الأجسام الأكثر كثافة في الكون ، والتي تشكلت عندما نفد وقود نجم ضخم وانهيار – لفهم سلوكها بشكل أفضل.

قال شيريل: “أخيرًا ، لدينا الأدوات لتمكين الأشخاص من إجراء البحوث التي انتظروا 30 عامًا للقيام بها”. “الأمر يشبه امتلاك تلسكوب جديد أكبر يمكنه الرؤية في الكون أكثر من أي وقت مضى – فقط سنرى في المشهد النووي أبعد مما كنا قادرين على النظر إليه من قبل. كلما كان لديك أداة جديدة من هذا القبيل ، هناك إمكانية للاكتشاف “.