Nye kerner kan være med til at forme vores forståelse af grundlæggende videnskab på Jorden og i kosmos

Ved at skabe fem nye isotoper har et internationalt forskerhold, der arbejder ved Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) ved Michigan State University, bragt stjernerne tættere på Jorden.

Isotoperne – kendt som thulium-182, thulium-183, ytterbium-186, ytterbium-187 og lutetium-190 – er rapporteret i tidsskriftet Physical Review Letters.

Disse repræsenterer den første batch af nye isotoper fremstillet på FRIB, en brugerfacilitet for US Department of Energy Office of Science, eller DOE-SC, der understøtter missionen fra DOE-SC Office of Nuclear Physics. De nye isotoper viser, at FRIB nærmer sig skabelsen af ​​kerneprøver, der i øjeblikket kun eksisterer, når ultratætte himmellegemer kendt som neutronstjerner styrter ind i hinanden.

"Det er den spændende del," sagde Alexandra Gade, professor i fysik ved FRIB og i MSU's Institut for Fysik og Astronomi og FRIB's videnskabelige leder. "Vi er overbeviste om, at vi kan komme endnu tættere på de kerner, der er vigtige for astrofysikken."

Gade er også medtalsmand for projektet, som blev ledet af Oleg Tarasov, senior forskningsfysiker ved FRIB.

Forskerholdet inkluderede en kohorte baseret på FRIB og MSU sammen med samarbejdspartnere ved Institute for Basic Science i Sydkorea og på RIKEN i Japan, et akronym, der oversættes til Institute of Physical and Chemical Research.

"Dette er formentlig første gang, disse isotoper har eksisteret på Jordens overflade," sagde Bradley Sherrill, University Distinguished Professor i MSU's College of Natural Science og leder af afdelingen Advanced Rare Isotope Separator på FRIB.

For en forklaring på, hvad "avanceret" betyder i denne sammenhæng, sagde Sherrill, at forskere kun havde brug for et par individuelle partikler af en ny isotop for at bekræfte dens eksistens og identitet ved hjælp af FRIB's avancerede instrumenter.

Da forskere nu ved, hvordan man laver disse nye isotoper, kan de begynde at lave dem i større mængder for at udføre eksperimenter, der aldrig var mulige før. Forskerne er også ivrige efter at følge den vej, de har lagt for at lave flere nye isotoper, der er endnu mere som det, der findes i stjernerne.

"Jeg kan godt lide at tegne analogien med at tage på en rejse. Vi har glædet os til at tage et sted hen, vi aldrig har været før, og dette er det første skridt," sagde Sherrill. "Vi er gået hjemmefra, og vi begynder at udforske."

Næsten stjerne ting

Vores sol er en kosmisk atomfabrik. Den er kraftig nok til at tage kernerne af to brintatomer eller kerner og smelte dem sammen til én heliumkerne.

Brint og helium er de første og letteste poster i grundstoffernes periodiske system. At komme til de tungere elementer på bordet kræver endnu mere intense miljøer end hvad der findes i solen.

Forskere antager, at grundstoffer som guld – omkring 200 gange så massive som brint – skabes, når to neutronstjerner smelter sammen.

Neutronstjerner er de resterende kerner af eksploderede stjerner, der oprindeligt var meget større end vores sol, men ikke så meget større, at de kan blive til sorte huller i deres sidste handling. Selvom de ikke er sorte huller, propper neutronstjerner stadig en enorm mængde masse ind i en meget beskeden størrelse.

"De er omtrent på størrelse med Lansing med massen af ​​vores sol," sagde Sherrill. "Det er ikke sikkert, men folk tror, ​​at alt guldet på Jorden blev lavet i neutronstjernekollisioner."

Ved at lave isotoper, der er til stede på stedet for en neutronstjernekollision, kunne forskerne bedre udforske og forstå de processer, der er involveret i fremstillingen af ​​disse tunge grundstoffer.

De fem nye isotoper er ikke en del af det miljø, men de er det tætteste videnskabsfolk er kommet på at nå det specielle territorium – og udsigterne for endelig at nå det er meget gode.

For at skabe de nye isotoper sendte holdet en stråle af platinioner, der løb ind i et kulstofmål. Strålestrømmen divideret med ladetilstanden var 50 nanoampere. Siden disse eksperimenter blev udført, har FRIB allerede skaleret sin stråleeffekt op til 350 nanoampere og har planer om at nå op til 15.000 nanoampere.

I mellemtiden er de nye isotoper spændende i sig selv og giver atomforskningssamfundet nye muligheder for at træde ind i det ukendte.

"Det er ikke en stor overraskelse, at disse isotoper eksisterer, men nu hvor vi har dem, har vi kolleger, som vil være meget interesserede i, hvad vi kan måle næste gang," sagde Gade. "Jeg er allerede begyndt at tænke på, hvad vi kan gøre næste gang med hensyn til at måle deres halveringstid, deres masser og andre egenskaber."

At undersøge disse mængder i isotoper, der aldrig har været tilgængelige før, vil hjælpe med at informere og forfine vores forståelse af grundlæggende nuklear videnskab.

"Der er så meget mere at lære," sagde Sherrill. "Og vi er på vej."

Flere oplysninger: O.B. Tarasov et al, Observation of New Isotopers in the Fragmentation of Pt198 at FRIB, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.072501

Leveret af Michigan State University