Un nuovo laboratorio statunitense crea copie di atomi che non sono stati registrati sulla Terra | Fisica delle particelle

Dal carbonio all’uranio e dall’ossigeno al ferro, gli elementi chimici sono i mattoni del mondo che ci circonda e dell’universo più ampio. Ora, i fisici sperano di dare uno sguardo senza precedenti alle loro origini, con l’apertura di una nuova struttura che creerà migliaia di versioni strane e instabili di atomi che non sono mai state registrate sulla Terra.

Studiando queste versioni, note come isotopi, sperano di ottenere nuove informazioni sulle interazioni che hanno creato Elementi all’interno delle supernove, oltre a testare teorie sulla “forza forte” – una delle quattro forze fondamentali in natura, che legano insieme protoni e neutroni nel nucleo di un atomo. La struttura può anche produrre nuovi analoghi per uso medico.

Gli atomi sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. Il numero di protoni determina il comportamento chimico di un atomo e di quale elemento si tratta – es. il carbonio ha sempre sei protoni, l’oro 79 – mentre gli atomi dello stesso elemento con diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi.

Poiché molti isotopi sono instabili e decadono rapidamente, a volte in millisecondi, gli scienziati hanno studiato solo una piccola percentuale di quegli isotopi che si pensa esistano.

“Ci sono 285 isotopi di elementi trovati sulla Terra, ma pensiamo che ci siano probabilmente 10.000 isotopi di elementi, persino l’uranio”, ha affermato il professor Bradley Sherrill, direttore scientifico della Rare Isotope Rays Facility (FRIB) presso lo stato del Michigan. L’università ha aperto ufficialmente il 2 maggio. “L’obiettivo di FRIB è fornire l’accesso a questo vasto panorama da altri colleghi quanto la tecnologia consente”.

Alcuni di questi “isotopi rari” possono portare a reazioni cruciali per la formazione degli elementi, quindi studiandoli i fisici sperano di ottenere una migliore comprensione della storia chimica dell’universo, incluso come siamo arrivati ​​qui.

Si pensa che la stragrande maggioranza degli elementi abbia avuto origine all’interno di supernove, ma “in molti casi non sappiamo quali stelle abbiano creato quali elementi, perché queste interazioni coinvolgono isotopi instabili, cose di cui non possiamo entrare facilmente in possesso”, ha detto il professor Gavin Lotay, fisico nucleare dell’Università del Surrey, che prevede di utilizzare la nuova struttura per indagare sulle esplosioni comuni chiamate lampi di raggi X all’interno delle stelle di neutroni.

Un altro obiettivo è comprendere i nuclei atomici abbastanza bene da sviluppare un loro modello completo, che potrebbe fornire nuove informazioni sul ruolo che svolgono nella generazione di energia per le stelle o sulle reazioni che si verificano all’interno delle centrali nucleari.

La struttura può anche produrre analoghi utili dal punto di vista medico. I medici usano già i radioisotopi negli esami degli animali domestici e in alcuni tipi di radioterapia, ma la scoperta di più isotopi potrebbe aiutare a migliorare l’imaging diagnostico o fornire nuovi modi per trovare e distruggere i tumori.

Per generare questi isotopi, FRIB accelererà un raggio di nuclei atomici alla metà della velocità della luce e lo invierà lungo un tubo di 450 metri, prima di romperlo in un bersaglio che rompe alcuni degli atomi in gruppi più piccoli di protoni e neutroni. Una serie di magneti filtrerà quindi gli isotopi desiderati e li dirigerà verso camere sperimentali per ulteriori studi.

“Entro un milionesimo di secondo, possiamo selezionare un isotopo specifico e sottoporlo a un esperimento in cui [scientists] “Potremmo catturarlo e osservarne il decadimento radioattivo, oppure potremmo usarlo per indurre un’altra reazione nucleare e usare quei prodotti di reazione per dirci qualcosa sulla struttura dell’isotopo”, ha detto Sherrill.

I primi esperimenti riguarderanno la realizzazione degli isotopi più pesanti possibili di fluoro, alluminio, magnesio e neon e il confronto dei tassi di decadimento radioattivo con quelli previsti dai modelli attuali. “Sarebbe una sorpresa se le nostre osservazioni fossero coerenti con ciò che ci aspettavamo”, ha detto Cheryl. “Probabilmente non saranno d’accordo, quindi useremo quel disaccordo per migliorare i nostri modelli”.

Circa un mese dopo, i ricercatori del FRIB intendono misurare il decadimento radioattivo degli isotopi che si ritiene esistano all’interno delle stelle di neutroni – alcuni degli oggetti più densi dell’universo, formati quando una stella massiccia ha esaurito il carburante ed è collassata – per comprendere meglio il loro comportamento.

“Finalmente, abbiamo gli strumenti per consentire alle persone di fare la ricerca che hanno aspettato 30 anni per fare”, ha detto Cheryl. “È come avere un nuovo telescopio più grande che può vedere nell’universo più che mai – solo che vedremo più lontano nel panorama nucleare di quanto non fossimo in grado di guardare prima. Ogni volta che hai un nuovo strumento come quello, c’è del potenziale per la scoperta”.