Nuo anglies iki urano ir nuo deguonies iki geležies – cheminiai elementai yra mus supančio pasaulio ir platesnės visatos statybinės medžiagos. Dabar fizikai tikisi gauti precedento neturintį žvilgsnį į jų kilmę, kai bus atidarytas naujas įrenginys, kuris sukurs tūkstančius keistų ir nestabilių atomų versijų, kurios niekada anksčiau nebuvo užfiksuotos Žemėje.

Tyrinėdami šias versijas, žinomas kaip izotopai, jie tikisi įgyti naujų įžvalgų apie sąveiką, kuri sukūrė Elementai supernovų viduje, taip pat išbandyti teorijas apie „stiprią jėgą“ – vieną iš keturių pagrindinių gamtos jėgų, kurios atomo branduolyje sujungia protonus ir neutronus. Įstaiga taip pat gali pagaminti naujus analogus medicinos reikmėms.

Atomai susideda iš protonų, neutronų ir elektronų. Protonų skaičius lemia atomo cheminę elgseną ir tai, kuris elementas jis yra – pvz., anglis visada turi šešis protonus, auksas 79 – o to paties elemento atomai su skirtingu neutronų skaičiumi vadinami izotopais.

Kadangi daugelis izotopų yra nestabilūs ir greitai genda – kartais per milisekundes, mokslininkai ištyrė tik nedidelę dalį tų izotopų, kurie, kaip manoma, egzistuoja.

„Žemėje randami 285 elementų izotopai, bet manome, kad yra 10 000 elementų, net ir urano, izotopų“, – sakė Mičigano valstijos Retų izotopinių spindulių įrenginio (FRIB) mokslinis direktorius profesorius Bradley Sherrillas. Universitetas oficialiai atidarytas gegužės 2 d. „FRIB tikslas yra suteikti tiek daug prieigos prie šio didžiulio kraštovaizdžio iš kitų kolegų, kiek leidžia technologijos.”

Kai kurie iš šių „retų izotopų“ gali sukelti reakcijas, labai svarbias elementų susidarymui, todėl juos tyrinėdami fizikai tikisi geriau suprasti visatos cheminę istoriją, įskaitant tai, kaip mes čia atsidūrėme.

Manoma, kad didžioji dauguma elementų atsirado supernovų viduje, tačiau „daugeliu atvejų mes nežinome, kurios žvaigždės kokius elementus sukūrė, nes ši sąveika apima nestabilius izotopus – dalykus, kurių negalime lengvai pasiekti“, – sakė profesorius. Gavinas Lotay’us, branduolinis fizikas. Surėjaus universitetas, planuojantis naudoti naują įrenginį, kad ištirtų įprastus sprogimus, vadinamus rentgeno sprogimais neutroninių žvaigždžių viduje.

Kitas tikslas yra pakankamai gerai suprasti atomų branduolius, kad būtų sukurtas išsamus jų modelis, kuris galėtų suteikti naujų įžvalgų apie jų vaidmenį generuojant energiją žvaigždėms arba reakcijas, vykstančias atominėse elektrinėse.

Įstaiga taip pat gali gaminti mediciniškai naudingus analogus. Gydytojai jau naudoja radioizotopus naminių gyvūnėlių egzaminams ir kai kurioms radioterapijos rūšims, tačiau atradę daugiau izotopų gali padėti pagerinti diagnostinį vaizdą arba suteikti naujų būdų rasti ir sunaikinti navikus.

Kad sukurtų šiuos izotopus, FRIB pagreitins atominių branduolių spindulį iki pusės šviesos greičio ir nusiųs jį 450 metrų ilgio vamzdžiu, o po to sudaužys į taikinį, kuris suskaido kai kuriuos atomus į mažesnes protonų ir neutronų grupes. Tada serija magnetų išfiltruos norimus izotopus ir nukreips juos į eksperimentines patalpas tolesniam tyrimui.

„Per milijoninę sekundės dalį galime pasirinkti konkretų izotopą ir pateikti jį eksperimentui, kur [scientists] „Galime jį užfiksuoti ir stebėti jo radioaktyvų skilimą arba panaudoti jį kitai branduolinei reakcijai sukelti ir panaudoti tuos reakcijos produktus, kad pasakytume ką nors apie izotopo struktūrą“, – sakė Sherrill.

Pirmieji eksperimentai apims sunkiausių įmanomų fluoro, aliuminio, magnio ir neono izotopų gamybą ir radioaktyvaus skilimo greičio palyginimą su dabartiniais modeliais prognozuojamais. „Būtų staigmena, jei mūsų stebėjimai atitiktų tai, ko tikėjomės“, – sakė Cheryl. „Jie tikriausiai nesutiks, o tada mes panaudosime šį nesutarimą, kad patobulintume savo modelius.

Maždaug po mėnesio FRIB mokslininkai planuoja išmatuoti izotopų, kurie, kaip manoma, egzistuoja neutroninėse žvaigždėse – kai kuriuose tankiausiuose visatos objektuose, kurie susidaro, kai baigiasi kuras ir žlugo masyvi žvaigždė – radioaktyvų skilimą, kad geriau suprastų jų elgesį.

„Galiausiai turime įrankius, leidžiančius žmonėms atlikti tyrimus, kurių jie laukė 30 metų“, – sakė Cheryl. „Tai tarsi naujas, didesnis teleskopas, galintis matyti į visatą labiau nei bet kada anksčiau – tik mes pamatysime branduolinį kraštovaizdį toliau, nei galėjome pažvelgti anksčiau. Kai turite naują panašų instrumentą, yra potencialo už atradimą“.