Il tanto atteso acceleratore è pronto per studiare l’origine degli elementi


Veduta aerea di un raro sito di radiazioni isotopiche sulla Michigan State University.Prestito Installazione di raggi isotopici rari

Uno dei principali desideri dei fisici nucleari si avvererà. Dopo decenni di attesa, l’acceleratore da 942 milioni di dollari del Michigan apre ufficialmente il 2 maggio. I suoi esperimenti esploreranno regioni inesplorate nel paesaggio di nuclei atomici esotici, facendo luce su come le stelle e le esplosioni di supernova formano la maggior parte degli elementi dell’Universo.

“Questo progetto è stato un sogno diventato realtà per l’intera comunità di fisica nucleare”, ha affermato Ani Abrahamyan, fisica nucleare sperimentale presso l’Università dell’Indiana a Notre Dame. Kate Jones, che studia fisica nucleare a Knoxville, Tennessee University, è d’accordo. “Questa è un’istituzione tanto attesa per noi”, ha detto.

La Michigan State University (MSU) Rare Isotope Radiation Facility aveva un budget di 730 milioni di dollari, la maggior parte dei quali è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti con un investimento di 94,5 milioni di dollari dallo stato del Michigan. MSU ha investito altri 212 milioni di dollari in varie forme, inclusa la terra. Sostituisce un precedente acceleratore della National Science Foundation chiamato National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) sullo stesso sito. La costruzione del FRIB è iniziata nel 2014 ed è stata completata alla fine dell’anno scorso con un budget di “cinque mesi prima”, afferma il fisico nucleare Bradley Cheryl, direttore scientifico del FRIB.

Per decenni, i fisici nucleari hanno cercato di costruire una centrale elettrica in grado di produrre isotopi rari più velocemente degli acceleratori simili a NSCL in tutto il mondo. Le prime proposte per un’auto del genere sono arrivate alla fine degli anni ’80 e negli anni ’90 è stato raggiunto un consenso. “La comunità era fermamente convinta che dovessimo dotarci di uno strumento del genere”, ha affermato Witold Nazarjic, fisico nucleare teorico e capo scienziato del FRIB.

Lavoro interno

Tutte le prove del FRIB inizieranno nel seminterrato della struttura. Gli atomi di un certo elemento, solitamente l’uranio, verranno ionizzati e inviati a un acceleratore lungo 450 metri, che si piega come una pinza per carta per entrare in una sala lunga 150 metri. Alla fine del tubo, il raggio ionico colpirà la ruota di grafite, che gira costantemente per evitare il surriscaldamento in un punto particolare. La maggior parte dei nuclei passerà attraverso la grafite, ma la maggior parte entrerà in collisione con i suoi nuclei di carbonio. Ciò fa sì che i nuclei di uranio si dividano in combinazioni più piccole di protoni e neutroni, ognuno dei quali è un nucleo di un isotopo di elemento diverso.

Questo raggio di diversi nuclei sarà quindi diretto verso l’alto, lo “splitter” a livello del suolo. Il divisore è costituito da una serie di magneti che deviano ogni nucleo verso destra, ciascuno con un angolo che dipende dalla sua massa և carica. Regolando questo processo, gli operatori FRIB saranno in grado di produrre un singolo fascio di isotopi per ogni specifico esperimento.

L’isotopo desiderato può quindi essere diretto attraverso un labirinto di tubi a fascio in una delle tante sale sperimentali. Nel caso degli isotopi più rari, le velocità di produzione possono raggiungere un nucleo alla settimana, ma il laboratorio sarà in grado di fornire e studiare quasi tutti, afferma Cheryl.

Una caratteristica unica di FRIB è che ha un secondo acceleratore in grado di raccogliere isotopi rari, romperli contro un bersaglio fisso, imitando le collisioni ad alta energia all’interno di stelle o supernove.

FRIB inizierà a funzionare a un’intensità del fascio relativamente bassa, ma il suo acceleratore aumenterà gradualmente per produrre ioni a velocità di ordine di grandezza superiori a NSCL. Ogni ione di uranio viaggerà anche più velocemente verso l’obiettivo della grafite, trasportando 200 megawatt di energia rispetto ai 140 MeV di energia trasportati dagli ioni nell’NSCL. L’energia più elevata di FRIB è nell’intervallo ideale per la produzione di enormi quantità di isotopi diversi, afferma Cheryl, comprese centinaia che non sono mai state sintetizzate prima.

Il limite della conoscenza

I fisici sono entusiasti dell’accesso online di FRIB, poiché la loro conoscenza del panorama degli isotopi è ancora sperimentale. Le forze che tengono insieme i nuclei atomici sono, in linea di principio, il risultato di una forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura, la stessa forza che lega insieme tre quark per formare un neutrone o un protone. Ma i nuclei sono oggetti complessi con molte parti mobili ed è impossibile prevederne la struttura e le proprietà fin dai primi principi, dice Nazarchich.

I ricercatori, quindi, hanno ideato una serie di modelli semplificati che predicono determinate caratteristiche di un particolare intervallo di nuclei, ma potrebbero non riuscire o fornire solo stime approssimative al di fuori di tale intervallo. Questo vale anche per questioni chiave come la velocità di decadimento dell’isotopo, la sua emivita o se può essere formato, afferma Nazarich. “Se mi chiedi quanti isotopi di stagno o piombo ci sono, la risposta sarà un grosso errore”, ha detto. FRIB sarà in grado di sintetizzare centinaia di isotopi mai visti prima (vedi “Nuclei non studiati”) e testerà molti modelli nucleari misurandone le proprietà.

Nuclei NON RICHIESTI.  Grafico che mostra gli isotopi misurati և osservati rispetto a quelli che possono essere prodotti da FRIB.

Fonte: Neufcourt, L. et al. Phys. Rev. 101:044307 (2020)

Jones et al. Sono particolarmente interessati allo studio degli isotopi che hanno numeri “magici” di protoni e neutroni, come 2, 8, 20, 28 o 50, che rendono la struttura del nucleo particolarmente stabile perché rappresentano interi livelli di energia (noti come guscio). Gli isotopi magici sono particolarmente importanti perché forniscono i test più puri dei modelli teorici. Per molti anni, Jones և e il suo team hanno studiato gli isotopi di stagno con un numero graduale di neutroni trasformati in stagno-100, che ha numeri magici sia di neutroni che di protoni.

Le incertezze teoriche significano anche che i ricercatori non hanno ancora una spiegazione dettagliata di come si siano formati tutti gli elementi della tavola periodica. Il big bang produceva principalmente solo idrogeno և elio. Gli altri elementi chimici nella tabella si sono formati prima del ferro-nichel, principalmente a causa della fusione nucleare all’interno delle stelle. Ma gli elementi più pesanti non possono essere formati dalla fusione. Sono stati falsificati con altri mezzi, solitamente mediante β-degradazione radioattiva. Questo accade quando il nucleo riceve così tanti neutroni da diventare instabile; uno o più dei suoi neutroni si trasformano in un protone, creando un numero maggiore di elementi atomici.

Ciò può accadere quando i nuclei vengono bombardati di neutroni da eventi brevi ma catastrofici, come le supernove o la fusione di due stelle di neutroni. L’evento più studiato nel suo genere osservato nel 2017 è stato in linea con modelli in cui sfere in collisione producono elementi più pesanti del ferro. Ma gli astrofisici non sono stati in grado di determinare esattamente quali elementi sono stati creati o in quali quantità, afferma Hendrik Schatz, un astrofisico nucleare della MSU. Uno dei principali punti di forza di FRIB sarà lo studio degli isotopi ricchi di neutroni che si formano durante questi eventi, ha affermato.

Acceleratore lineare di radiofrequenza superconduttore situato nel tunnel linac di una pianta di raggi isotopici rari.

L’acceleratore lineare FRIB è costituito da 46 criomoduli che accelerano i raggi ionizzanti operando a temperature di diversi gradi sopra lo zero assoluto.Prestito Installazione di raggi isotopici rari

L’oggetto aiuterà a rispondere alla domanda fondamentale di “quanti neutroni possono essere aggiunti a un nucleo e come cambia le interazioni all’interno del nucleo?” afferma Anu Kankainen, fisico sperimentale presso l’Università di Jivaskila in Finlandia.

FRIB integrerà altri acceleratori moderni che studiano gli isotopi nucleari, afferma Klaus Blaum, fisico del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, in Germania. Le strutture Giappone և Russia sono ottimizzate per produrre gli elementi più pesanti possibili nella parte inferiore della tavola periodica.

Il fondo antiproton ion antiproton ion fund (FAIR) da 3,1 miliardi di euro, che è in costruzione nella città tedesca di Darmstadt ed è in costruzione, dovrebbe essere completato entro il 2027 (sebbene un blocco del coinvolgimento della Russia dopo l’invasione dell’Ucraina potrebbe causare alcuni ritardi). . FAIR produrrà antimateria come sostanza, sarà in grado di immagazzinare nuclei per un periodo di tempo più lungo. “Non puoi fare tutto in una macchina”, ha detto Bloom, che ha servito nei comitati consultivi FRIB և FAIR.

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