Nový urýchľovač častíc má odhaliť tajomstvá bizarných atómových jadier 1/3

  • Valentín Korinek | 11 Február 2022
    Svet fyziky
Urýchľovač častíc pracujúci na princípe vzácnych izotopových lúčov (na obr.) urýchli lúče iónov na približne polovičnú rýchlosť svetla. (FRIB)
Boromejské prstene, zakreslené v erbe talianskej rodiny z 15. storočia, zdobiace starobylú japonskú svätyňu, majú v sebe silnú symboliku. Pokiaľ odstránite jeden z troch prsteňov, ďalšie dva už nebudú držať pokope. Princíp konštrukcie má význam len dovtedy, kým sú všetky tri prstene prepletené. Tieto prstene reprezentovali koncepty jednoty, kresťanskej Svätej Trojice a dnes, ako sa zdá, dokonca aj určité exotické atómové jadrá.

Vzácna odroda, alebo lepšie povedané izotop lítia, má jadro, ktoré sa skladá z troch spojených častí. Jadro *lítia-11, je rozdelené do hlavného zhluku protónov a neutrónov, lemovaných dvoma neutrónmi, ktoré tvoria okolo jadra halo. Odstráňte jeden kus a trio sa rozpadne, podobne ako boromejské prstene.

Nielen to, jadro lítia-11 je obrovské. So svojím halom má rovnakú veľkosť ako jadro olova aj napriek tomu, že má takmer o 200 protónov a neutrónov menej. Objav rozsiahleho hala v lítiu-11 v polovici 80. rokov minulého storočia vedcov šokoval, rovnako ako jeho „boromejský charakter“.
 
Lítium-11 je len jedným príkladom toho, čo sa stane, keď sa jadrá stanú divnými. Takéto jadrá, majú ohromujúce vlastnosti. Môžu sa deformovať do nezvyčajných tvarov, ako je napríklad hruška, alebo môžu byť zabalené do obalu z neutrónov ako orech v orechovej škrupinke.

Nový urýchľovač čoskoro pomôže vedcom „odtrhnúť tieto zvláštne plody z atómového viniča“. Vedci sú už netrpezliví, keď použijú urýchľovač častíc v štáte Michigan na štúdium niektorých z najvzácnejších atómových jadier. Po spustení zariadenie pre vzácne izotopové lúče alebo FRIB začiatkom roku 2022 odoberie elektróny z atómov, aby vytvorili ióny, urýchli ich na vysokú rýchlosť a potom ich pošle, aby narazili do cieľa, kde sa po zrážke vytvoria špeciálne jadrá, ktoré chcú študovať.

Experimenty na FRIB budú skúmať limity jadier, teda koľko neutrónov je možné vtesnať do daného jadra, a študovať, čo sa stane, keď sa tieto jadrá odchýlia od stabilných konfigurácií v bežnej hmote. S údajmi z FRIB sa vedci budú snažiť dať dokopy teóriu, ktorá vysvetľuje vlastnosti všetkých jadier, dokonca aj tých bizarných. Možno budú mať vedci šťastie a objavia nové ohromujúce jadrové záhady, možno ešte podivnejšie ako lítium-11.
 
Atómové jadrá existujú v obrovskom množstve typov. Bolo objavených 118 chemických prvkov, ktoré sa líšia počtom protónov v ich jadrách. Každý z týchto prvkov má rôzne izotopy, rôzne verzie prvku vytvorené zmenou počtu neutrónov vo vnútri jadra. Vedci predpovedali existenciu asi 8 000 izotopov známych prvkov, ale len asi 3 300 z nich sa objavilo v detektoroch. Výskumníci očakávajú, že FRIB vyplní značnú medzeru v týchto chýbajúcich izotopoch. Môže identifikovať 80 percent tých skrytých izotopov pre všetky prvky až do uránu, vrátane ďalších, o ktorých sme ani netušili.

Najznámejšie jadrá sú tie z približne 250 izotopov, ktoré sú stabilné: nerozpadajú sa na iné typy atómov. Medzi stabilné izotopy patrí dusík-14 a kyslík-16 vo vzduchu, ktorý dýchame, a uhlík-12 nachádzajúci sa vo všetkých známych živých tvoroch. Číslo za názvom prvku udáva celkový počet protónov a neutrónov v jadre.

Stabilné jadrá majú tú správnu kombináciu protónov a neutrónov. Príliš veľa alebo príliš málo neutrónov spôsobuje rozpad jadra, niekedy veľmi pomaly v priebehu miliárd rokov, inokedy zasa len v zlomkoch sekundy (*polčas rozpadu). Aby vedci pochopili, čo sa deje vo vnútri týchto nestabilných jadier, študujú ich skôr, ako sa rozpadnú. Vo všeobecnosti platí, že keď sa rovnováha protón-neutrón stále viac a viac rúca, jadro je viac a viac nestabilné, čím majú jeho vlastnosti tendenciu správať sa veľmi zvláštne.

Urýchľovanie lúčov iónov vo FRIB

Cesta začína v jednom z dvoch iónových zdrojov FRIB, kde sa prvky odparujú a ionizujú. Po určitom počiatočnom zrýchlení, aby sa ióny dostali do pohybu, lúč vstúpi do lineárneho urýchľovača, čo spôsobuje, že častice sa skutočne pohybujú. Lineárny urýchľovač vyzerá ako zmenšený nákladný vlak – rad 46 zelených skríň, každá asi 2,5 metra vysoká s rôznou dĺžkou. Tento urýchľovač však urýchľuje lúče oveľa rýchlejšie ako vlak – až asi polovičnou rýchlosťou svetla.
V týchto zelených skriniach sú tzv. kryomoduly -  supravodivé dutiny ochladzované len na niekoľko kelvinov, teda veľmi blízko absolútnej nule. Pri týchto teplotách môžu kryomoduly urýchliť ióny pomocou rýchlo oscilujúcich elektromagnetických polí. Reťaz týchto zelených skríň, komponentov vytvárajúcich urýchľovač, má tvar kancelárskej sponky. Tento tvar je nevyhnutný na to, aby sa približne 450 metrov dlhý urýchľovač zmestil do 150 metrov dlhého tunela, v ktorom je umiestnený.

Keď je lúč plne zrýchlený, narazí do grafitového terča. Tento tvrdý zásah zrazí protóny a neutróny z jadier prichádzajúcich iónov a vytvorí nové, vzácnejšie izotopy. Potom je ten konkrétny, ktorý sa bude študovať, oddelený magnetmi, ktoré presmeruvávajú častice na základe ich hmotnosti a elektrického náboja. Vyselektované častice sa potom posielajú do experimentálnej oblasti, kde ich vedci môžu pomocou rôznych detektorov študovať, ako sa častice rozpadajú, merať ich vlastnosti alebo určovať, akými reakciami prechádzajú.
 
...pokračovanie na budúce...


*Lítium je chemický prvok, ktorý má značku Li a protónové číslo 3. Ide o veľmi ľahký a mäkký kov, ktorý sa mnohými chemickými vlastnosťami podobá na horčík (diagonálna podobnosť). S teplou vodou reaguje len pozvoľna na hydroxid, pričom sa uvoľňuje vodík. S kyslíkom dáva oxid a s dusíkom nitrid rovnako ako horčík. V prírode sa vyskytuje iba vo forme zlúčenín. Prírodné lítium sa skladá z dvoch stabilných izotopov: lithia-6 (6Li) a lithia-7 (7Li), pričom druhý z nich je rozšírenejší.
Zo skupiny alkalických kovov je lítium najmenej reaktívny prvok a zároveň vytvára najmenej iónové zlúčeniny spomedzi alkalických kovov. Je to spôsobené malým polomerom Li+, vďaka čomu má silné polarizačné účinky na anión, čo je nepriaznivé pre vznik iónovej väzby.  

*Lithium-11 má v jadre tri protóny a osem neutrónov, pričom dva z neutrónov tvoria jadrové halo.

*Polčas rozpadu je jeden z veľmi dôležitých parametrov charakterizujúcich rádioaktívny prvok. Udáva časovú periódu, za ktorú sa rádioaktivitou rozpadne polovica určitého množstva daného prvku. Tento parameter je špecifický pre každý rádioaktívny prvok.

Galéria obrázkov k článku

Odstráňte jeden z troch prsteňov a celá konštrukcia sa rozpadne. Niektoré atómové jadrá majú rovnakú vlastnosť. (T. Tibbitts )
Urýchľovač má tvar kancelárskej sponky. Tento tvar je nevyhnutný na to aby sa približne 450 metrov dlhý urýchľovač zmestil do 150 metrov dlhého tunela, v ktorom je umiestnený. (T. Tibbitts)
Lítium – 11 (3 protóny, 6 neutrónov v jadre a dva tvoriace halo okolo jadra. (T. Tibbitts)