Nový urýchľovač častíc má odhaliť tajomstvá bizarných atómových jadier 2/3

  • Valentín Korinek | 22 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 a 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.

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

Energia lúča má hodnotu potrebnú na výrobu vzácnych izotopov. Príliš veľa energie by jadrá rozbilo, ak by sa zrazili s cieľom. FRIB je navrhnutý tak, aby dosiahol menej ako stotinu energie Veľkého hadrónového urýchľovača v CERN-e pri Ženeve, najenergetickejšieho urýchľovača na svete.

Potenciál nového urýchľovača spočíva v jeho väčšej intenzite. V podstate ide o to, že lúč ktorý generuje, obsahuje obrovské množstvá častíc. Pre predstavu: lúč urýchľovača FRIB bude schopný naraziť do cieľa s 50 biliónmi iónov uránu za sekundu. Vďaka tomu bude produkovať intenzívnejšie prúdy vzácnych izotopov, ako dokázali jeho predchodcovia.

Izotopov, ktoré sa vyrábajú relatívne ľahko, FRIB vychrlí asi bilión za sekundu. Je to dosť na štúdium, čím sa zároveň otvárajú vyhliadky na skúmanie izotopov, ktoré je ťažšie vyrobiť. Tieto izotopy sa môžu objaviť s pravdepodobnosťou raz týždenne. Zdá sa to málo, ale stále je to oveľa častejšie ako v slabšom zväzku. Pre porovnanie, je to ako keby ste porovnali vodu tečúcu z umývadla a vodu tečúcu z hasičskej hadice.

Pri takýchto prúdoch sa taktiež určuje aj rozhodujúca hranica známa ako *čiara odkvapkávania neutrónov.
Skúste do jadra natlačiť príliš veľa neutrónov a takmer okamžite sa rozpadne „vypľutím neutrónu“. Je to ako škrečok s ústami tak plnými semienok, že pri každom pokuse natlačiť ďalšie semienko do úst hneď jedno vypadne. Prah, pri ktorom sa jadrá týmto spôsobom rozpadajú, označuje konečné limity pre viazané jadrá. Na mape známych prvkov a ich izotopov táto hranica vykresľuje čiaru spomínaného odkvapkávania neutrónov. Vedci zatiaľ poznajú umiestnenie tejto rozhodujúcej demarkácie nanajvýš cez 10. prvok periodickej tabuľky, neón.

FRIB nám poskytne jediný spôsob, ako ísť dostatočne ďaleko na to, aby sme lepšie definovali túto odkvapkávaciu čiaru. Očakáva sa, že FRIB určí čiaru odkvapkávania neutrónov až po 30. prvok, zinok a možno ešte ďalej.

V blízkosti tejto odkvapkávacej línie, kde počet neutrónov výrazne prevyšuje protóny, sú jadrá zvláštne. Lítium-11 so svojím priestranným halom sa nachádza hneď vedľa odkvapkávacej čiary. Vedci sa preto zameriavajú na izotopy horčíka, ktoré sú v blízkosti odkvapkávacej línie. Najbežnejší stabilný izotop horčíka má 12 protónov a 12 neutrónov. Hlavný cieľ je ale horčík-40, ktorý má vo svojom jadre 12 protónov a viac ako dvojnásobok tohto počtu neutrónov – 28.

Teórie, ktoré predpovedajú vlastnosti jadier, už nie sú tak spoľahlivé. Teoretickí fyzici si nemôžu byť vždy istí, akú veľkosť a tvar môže mať dané jadro v tejto sfére, alebo či sa dokonca kvalifikuje ako viazané jadro. Daná teória môže tiež zaostať pri predpovedaní toho, koľko energie je potrebné na to, aby sa jadro dostalo do rôznych stavov pod napätím. Rozostupy týchto energetických hladín pôsobia ako druh odtlačku prsta atómového jadra, ktorý je veľmi citlivý na detaily tvaru jadra a ďalšie vlastnosti.

Horčík-40 sa správa neočakávane. Zatiaľ čo teórie predpovedali, že jeho energetické hladiny budú zodpovedať hladinám izotopov horčíka s o niečo menším počtom neutrónov, energetické hladiny horčíka-40 boli výrazne nižšie ako u jeho susedov. Vedci sa teda zamerajú na asi 30 experimentov, ktoré sa uskutočnia počas prvých dvoch rokov prevádzky FRIB. „Posvietia“ si na horčík-40, ktorý má podobne ako lítium-11 boromejské jadro. Pochopenie horčíka-40 by mohlo pomôcť vedcom potvrdiť niektoré vlastnosti neutrónových jadier. (neutrónové jadro je výraz pre jadrá, ktorých počet neutrónov je väčší ako počet protónov)

Možnosti jadra
Nestabilný horčík-40 má jadro pozostávajúce z oveľa viac neutrónov (modrá) ako bežnejší stabilný horčík-24, aj napriek tomu že počet protónov (červená) majú obe rovnaký (na obrázkoch nižšie). Vedci chcú vedieť, či má horčík-40 typické jadro alebo jadro s veľkým neutrónovým halom.

Pokračovanie v článku  Nový urýchľovač častíc má odhaliť tajomstvá bizarných atómových jadier 3/3


*Jadrová odkvapkávacia čiara je hranica vymedzujúca zónu, za ktorou sa atómové jadrá rozkladajú emisiou protónu alebo neutrónu. Ľubovoľná kombinácia protónov a neutrónov nemusí nutne viesť k stabilnému jadru. Možno uvažovať o pohybe hore a/alebo doprava v tabuľke nuklidov pridaním jedného typu nukleónu k danému jadru. Pridávanie nukleónov po jednom k danému jadru však nakoniec povedie k novovytvorenému jadru, ktoré sa okamžite rozpadne emitovaním protónu (alebo neutrónu). Hovorovo povedané, nukleón „utiekol“ alebo „odkvapkal“ z jadra, čím vznikol termín „odkvapkávacia čiara“.

Galéria obrázkov k článku

Kryogénna elektráreň FRIB vyrába tekuté hélium pomocou supravodičov vedúcich elektrinu bez odporu pri teplotách tesne nad absolútnou nulou a tým chladí komponenty urýchľovača FRIB. (Michigan State Univ.)
Horčík - 24
Horčík-40 s halo
Vedci objavili množstvo izotopov chemických prvkov (sivá). Očakáva sa, že FRIB nájde nové (modré) v celom rozsahu predpovedaných izotopov (zelené). Čiara kvapkania neutrónov, spodný okraj farebnej oblasti, označuje hranice jadier, o ktorých vedci doposiaľ nevedia kde leží. (FRIB)
Štandardný horčík-40