새로운 미국 연구소는 지구에 기록되지 않은 원자의 복사본을 만듭니다 | 입자 물리학

탄소에서 우라늄으로, 산소에서 철로, 화학 원소는 우리 주변의 세계와 더 넓은 우주의 빌딩 블록입니다. 이제 물리학자들은 이전에 지구에 기록된 적이 없는 수천 개의 이상하고 불안정한 버전의 원자를 생성할 새로운 시설의 개장과 함께 그들의 기원을 전례 없이 엿볼 수 있기를 희망합니다.

동위 원소로 알려진 이러한 버전을 연구함으로써 그들은 생성 된 상호 작용에 대한 새로운 통찰력을 얻기를 희망합니다. 초신성 내부의 요소, 그리고 원자핵에서 양성자와 중성자를 함께 묶는 자연의 4가지 기본 힘 중 하나인 “강력”에 대한 이론을 테스트합니다. 이 시설은 또한 의료용 새로운 유사체를 생산할 수 있습니다.

원자는 양성자, 중성자 및 전자로 구성됩니다. 양성자의 수는 원자의 화학적 거동을 결정하고 그것이 어떤 원소인지를 결정합니다. 예를 들어 탄소에는 항상 6개의 양성자가 있고 금 79개입니다. 같은 원소의 원자는 중성자 수가 다른 경우 동위원소라고 합니다.

많은 동위원소는 불안정하고 빠르게(때로는 밀리초 단위로) 붕괴하기 때문에 과학자들은 존재하는 것으로 생각되는 동위원소 중 극히 일부만 연구했습니다.

미시간 주립대학교 희귀동위원소광선시설(FRIB)의 과학 책임자인 브래들리 셰릴 교수는 “지구에는 285개의 동위원소가 있지만 우라늄도 10,000개 동위원소가 있을 것으로 생각한다”고 말했다. 대학은 공식적으로 5월 2일에 문을 열었습니다. “FRIB의 목표는 기술이 허용하는 한 다른 동료들로부터 이 광대한 환경에 대한 액세스를 최대한 제공하는 것입니다.”

이러한 “희귀 동위 원소” 중 일부는 원소 형성에 중요한 반응을 일으킬 수 있으므로 물리학자들은 이를 연구함으로써 우주의 화학 역사를 더 잘 이해하기를 희망합니다. 여기에는 우리가 어떻게 여기까지 왔는지 포함됩니다.

대부분의 원소는 초신성 내부에서 비롯된 것으로 생각되지만 “많은 경우에 어떤 별이 어떤 원소를 생성했는지 알 수 없습니다. 이러한 상호 작용에는 불안정한 동위 원소가 포함되기 때문입니다. 우리가 쉽게 잡을 수 없습니다.” 핵 물리학자인 개빈 로테이(Gavin Lotay)는 새 시설을 사용하여 중성자별 내부의 X선 폭발이라고 불리는 일반적인 폭발을 조사할 계획입니다.

또 다른 목표는 원자핵에 대한 포괄적인 모델을 개발할 수 있을 만큼 충분히 원자핵을 이해하는 것입니다. 이를 통해 항성 에너지 생성 또는 원자력 발전소 내에서 일어나는 반응에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.

시설은 또한 의학적으로 유용한 유사체를 생산할 수 있습니다. 의사는 이미 애완동물 검사와 일부 유형의 방사선 요법에서 방사성 동위원소를 사용하고 있지만 더 많은 동위원소를 발견하면 진단 영상을 개선하거나 종양을 찾아 파괴하는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.

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이러한 동위원소를 생성하기 위해 FRIB는 원자핵 빔을 빛의 속도의 절반으로 가속하고 450m 길이의 튜브 아래로 보낸 다음 일부 원자를 더 작은 양성자와 중성자 그룹으로 분해하는 표적에 충돌시킵니다. 그런 다음 일련의 자석이 원하는 동위원소를 걸러내고 추가 연구를 위해 실험 챔버로 안내합니다.

“100만분의 1초 이내에 특정 동위원소를 선택하여 실험에 제출할 수 있습니다. [scientists] “우리는 그것을 포착하고 방사성 붕괴를 관찰할 수도 있고, 또 다른 핵 반응을 유도하기 위해 그것을 사용할 수도 있고 동위원소의 구조에 대해 무언가를 알려주기 위해 그 반응 생성물을 사용할 수도 있습니다”라고 Sherrill이 말했습니다.

첫 번째 실험은 불소, 알루미늄, 마그네슘 및 네온의 가능한 가장 무거운 동위원소를 만들고 방사성 붕괴율을 현재 모델에서 예측한 것과 비교하는 것입니다. Cheryl은 “우리의 관찰이 예상과 일치한다면 놀랄 것입니다.”라고 말했습니다. “그들은 아마 동의하지 않을 것이고, 우리는 그 불일치를 우리의 모델을 개선하는 데 사용할 것입니다.”

약 한 달 후, FRIB 연구원들은 중성자별 내부에 존재하는 것으로 여겨지는 동위원소의 방사성 붕괴를 측정할 계획입니다. 중성자별은 우주에서 가장 밀도가 높은 천체 중 하나로, 무거운 별에 연료가 고갈되어 붕괴될 때 형성되어 그들의 행동을 더 잘 이해할 수 있습니다.

“마침내 우리는 사람들이 30년 동안 기다려온 연구를 수행할 수 있는 도구를 갖게 되었습니다.”라고 Cheryl이 말했습니다. “이것은 이전보다 더 많은 우주를 볼 수 있는 새롭고 더 큰 망원경을 갖는 것과 같습니다. 우리는 이전에 볼 수 있었던 것보다 더 멀리 핵의 풍경을 볼 수 있을 것입니다. 그런 새로운 장비가 있을 때마다 가능성이 있습니다. 발견을 위해.”

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