Nikada ranije viđeni odnosi čestica koje čine atomska jezgra su se pojavile u značajnom eksperimentu koji uključuje fragmentaciju teških elemenata.
Razbijajući jezgra platine, fizičari na čelu sa Olegom Tarasovim sa Univerziteta Mičigen State otkrili su nove izotope retkozemnih elemenata tulijuma, iterbijuma i lutecijuma. To je dostignuće za koje naučnici veruju da će im pomoći da razumeju svojstva jezgara bogatih neutronima i procese koji stvaraju nove elemente u sudaru neutronskih zvezda.
Rad, kažu istraživači, takođe pokazuje moć nedavno završenog Postrojenja za retke izotopske zrake (FRIB) Univerziteta Mičigen, koji je izveo svoj prvi eksperiment u junu 2022.
Nisu svi oblici elementa izgrađeni jednako. Svako atomsko jezgro se sastoji od niza subatomskih čestica poznatih kao nukleoni – protona i neutrona. Broj protona je konzistentan u svim oblicima elementa i daje tom elementu njegov atomski broj.
Međutim, broj neutrona može varirati. Ove varijacije određuju ono što je poznato kao izotopi elementa.
Svi elementi imaju određeni broj izotopa, koji se formiraju sa različitim nivoima stabilnosti. Neki se raspadaju izuzetno brzo, razlažući se na lakše elemente u dahu jonizujućeg zračenja. Neki se jednostavno druže u savršenoj stabilnosti. Razumevanje različitih izotopa i njihovog ponašanja pomaže naučnicima da shvate kako Univerzum stvara elemente i procene obilje tih elemenata u prostoru i vremenu.
Da bi kovali svoje nove izotope, Tarasov i kolege su počeli sa izotopom platine sa 120 neutrona zvanim 198 Pt. Standardna platina ima 117 neutrona; korišćenje težeg izotopa može promeniti način fragmentacije jezgra.
Postavili su ove atome u FRIB, koji koristi akcelerator teških jona za fragmentaciju atomskih jezgara. Zrakovi retkih izotopa se ispaljuju na metu brzinama većim od polovine brzine svetlosti. Kada pogode metu, ovi izotopi se razbijaju u lakše izotope jezgara; fizičari tada mogu otkriti i proučavati ove izotope.
U fragmentaciji 198 Pt, Tarasovljev tim je otkrio 182 Tm i 183 Tm, sa 113 i 114 neutrona respektivno; standardni tulij ima 69 neutrona . Takođe su pronašli 186 Ib i 187 Ib, sa 116 i 117 neutrona, respektivno; standardni iterbijum ima 103 neutrona. Konačno, pronašli su 190 Lu, sa 119 neutrona; standardni lutecijum ima 104 neutrona .
Svaki od ovih izotopa je viđen u više pokreta akceleratora. To znači, kažu istraživači, da se FRIB može koristiti za proučavanje sinteze neutronima bogatih izotopa teških elemenata u režimima koji su do sada bili prilično zanemareni – ne zbog nedostatka interesovanja, već zbog sposobnosti da ih stvore i otkriju.
Ovo bi nam, zauzvrat, moglo pomoći da razumemo kako nasilni kosmički događaji stvaraju najteže elemente u Univerzumu. Sve što je teže od gvožđa u Univerzumu može biti stvoreno samo u ekstremnim uslovima, na primer u supernovama i sudarima između neutronskih zvezda.
Jedan proces nukleosinteze koji se vidi u sudarima neutronskih zvezda je proces brzog hvatanja neutrona, ili r-proces. Ovo se dešava kada atomska jezgra brzo glomaju slobodno plutajuće neutrone koji se oslobode tokom eksplozije kilonove, započinjujući njihovu transformaciju u teži element. Tako dobijamo zlato, stroncijum, platinu i druge teške metale.
Eksperiment tima, kažu, približava se reprodukciji r-procesa. To znači da bismo vrlo brzo mogli imati na raspolaganju alat koji može da replicira jedan od puteva nukleosinteze koji se vidi u nekim od najnasilnijih događaja koje Univerzum može da ponudi.
„Jedinstvene mogućnosti FRIB-a, uključujući veoma intenzivne primarne zrake sa energijama koje su veće od onih koje su bile dostupne u Nacionalnoj laboratoriji za supravodljive ciklotrone, čine ga idealnim objektom za istraživanje regiona oko neutronskog broja N = 126 i dalje“, pišu istraživači.
„Istraživači na FRIB-u mogu da iskoriste ove reakcije da proizvode, identifikuju i proučavaju svojstva novih izotopa, doprinoseći napretku u nuklearnoj fizici, astrofizici i našem razumevanju osnovnih svojstava materije.
