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

  • Valentín Korinek | 13 Marec 2022
    Svet fyziky
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 2/3


Elementárny pôvod
Vesmír nám vďaka extrémom, ako sú explózie hviezd, ich zrážky alebo miesta s obrovskou gravitáciou, vytvára zázraky jadrovej fyziky. Na zemi bohužiaľ nič také nenájdeme. FRIB by nám mohol pomôcť nahliadnuť do niektorých z extrémnych procesov hmoty. Vedci predpokladajú, že niektoré prostredia bohaté na neutróny sú akoby kotlom, v ktorom sa varia viaceré chemické prvky vesmíru. Pomocou detektora FRIB budú vedci pracovať na odhalení detailov kozmických jadrových reakcií zodpovedných za jadrá, ktoré nás obklopujú. Budú sa snažiť pochopiť, ako boli syntetizované prvky, najmä tie ťažšie ako železo.

Mnohé z prvkov okolo nás a v nás, boli vytvorené vo hviezdach. Ako veľké hviezdy starnú, spájajú vo svojich jadrách postupne väčšie atómové jadrá a vytvárajú prvky ďalej pozdĺž periodickej tabuľky ako sú kyslík, uhlík, neón a ďalšie. Proces vytvárania prvkov vo hviezdach sa však zastaví pri železe. Ostatné prvky vznikajú iným spôsobom.

Rýchly proces zachytávania neutrónov alebo tzv. *r-proces je zodpovedný za mnohé z tých ďalších prvkov, ktoré sa nachádzajú v prírode. V r-procese atómové jadrá rýchlo pohlcujú neutróny a zväčšujú sa do veľkých hmotností. Toto pohlcovanie neutrónov je sprevádzané rádioaktívnymi rozpadmi, ktoré tvoria nové prvky. Pozorovanie dvoch neutrónových hviezd spájajúcich sa v roku 2017 odhalilo, že takéto zrážky sú jedným z miest, kde dochádza k r-procesu. Vedci však predpokladajú, že by sa to mohlo stať aj na iných miestach a pri iných situáciách.

Vedci preto študujú skrátenú formu r-procesu, ktorý by mohol excelovať práve v tak extrémnych podmienkach ako sú explózie supernov. To znamená, že častice nemusia mať dostatočný priestor pre úplný r-proces. Ako vzorka poslúžilo germánium-80, ktoré hrá kľúčovú úlohu v slabom r-procese. Vedci chcú zistiť, aká je pravdepodobnosť, že toto jadro zachytí ďalší neutrón a stane sa z neho germánium-81. V detektore FRIB sa rozbije lúčom germánium-80 na deutérium, ktoré má vo svojom jadre jeden protón a jeden neutrón. Zistenie, ako často germánium-80 zachytí neutrón, pomôže vedcom prelomiť reťazec slabého r-procesu s neutrónmi, nech sa objaví kdekoľvek.

Rovnako ako boromejské prstence sú úzko prepojené aj rôzne aspekty jadrovej fyziky, od tajomstiev vesmíru až po vnútorné fungovanie jadier. Exotické jadrá, s ktorými FRIB pracuje, by tiež mohli umožniť fyzikom preniknúť do samotného základu fyziky testovaním určitých základných prírodných zákonov. Zariadenie FRIB má aj praktickú stránku. Vedci by mohli zbierať niektoré izotopy, ktoré FRIB produkuje, napríklad na použitie v lekárskych procedúrach.
Vedci predpokladajú, že práve vďaka takýmto zariadeniam ako je FRIB, prídu nové objavy a prelomy vo vede. Podobne ako pri objave boromejského jadra lítia-11 v 80. rokoch, môžu vedci nájsť niečo úplne neočakávané.

Čerešničkou na torte môže byť tiež to, že spolu so štúdiom extrémnych atómových jadier a skúmaním jadrovej fyziky hviezd pomocou FRIB, dosiahnu pokrok v dvoch ďalších kľúčových oblastiach.
 
Zber užitočných jadier
Vedci plánujú zbierať izotopy vyrobené vo FRIB pre využitie v praxi. Napríklad v medicíne môžu byť určité izotopy, ako je terbium-149, použité na radiačnú liečbu alebo lekárske zobrazovanie. Keď sa tento izotop terbia kovu vzácnych zemín rozpadne, môže emitovať častice alfa (jadrá hélia), ktoré môžu zabíjať rakovinové bunky. Jeho polčas rozpadu 4,1 hodiny je dokonale ideálny, dostatočne rýchly na to, aby mal účinok. Teda nie je taký pomalý, aby trval niekoľko rokov, ale nie je ani taký rýchly, aby nestihol vykonať svoju prácu.
 
Testovanie zákonov prírody
Vedci plánujú overiť určité fyzikálne teórie, ako napríklad myšlienku, že hmota a antihmota sa správajú ako zrkadlové obrazy. Niektoré hypotetické fyzikálne účinky by mohli spôsobiť, že častice porušia toto pravidlo, a to by mohlo pomôcť vysvetliť, prečo je vo vesmíre viac hmoty ako antihmoty.

Účinky, ktoré by mohli spôsobiť, že sa hmota a antihmota správajú odlišne, môžu tiež spôsobiť oddelenie elektrického náboja v atómoch, pričom na jednej strane atómu je o niečo kladnejší náboj a na druhej zápornejší náboj. Vo väčšine atómov môže byť toto oddelenie príliš malé na meranie. Ale v rádiu-225, ktoré má jadro hruškovitého tvaru, by bol účinok silnejší, pretože asymetria jadra by mala zvýšiť asymetriu náboja atómu.


*r-proces –  je proces vo hviezdach, hlavne pri explóziách supernov alebo pri splynutí dvoch kompaktných objektov, pri ktorom dochádza k rýchlemu uchyteniu neutrónov a vzniku prvkov s protónovým číslom vyšším než má železo, ktoré je najefektívnejším viazaným jadrom. Pri tomto procese vznikajú aj prvky s väčšími  jadrami ako napr. olovo či bizmut. Písmeno r v názve procesu vzniklo z anglického „rapid neutron capture“ -rýchle zachytenie neutrónov.
https://www.sciencenews.org/article/rare-isotope-elements-new-particle-accelerator-atom-nucleus

Galéria obrázkov k článku

Reakcie v supernovách (počítačová simulácia), kde sa vytvárajú nové prvky a exotické izotopy. (Adam Burrows/Princeton Univ., Joe Insley a Silvio Rizzi/Argonne National lab )