密歇根州立大學的一個新粒子加速器將發現數千種前所未見的同位素。稀有同位素束設備，CC BY-ND

離我們坐的地方只有幾百英尺是一個沒有空氣的大金屬室，上面覆蓋著控制內部儀器所需的電線。一束粒子以大約一半的光速靜靜地穿過腔室內部，直到它撞到一塊固體材料上，導致稀有同位素的爆發。

這一切都發生在稀有同位素束或 FRIB 設施中，該設施由密歇根州立大學為美國能源部科學辦公室運營。從 2022 年 5 月開始，國家和國際科學家團隊聚集在密歇根州立大學，開始在 FRIB 進行科學實驗，目標??是創造、分離和研究新的同位素。這些實驗有望提供對宇宙基本性質的新見解。

我們是研究稀有同位素的兩位核化學和核物理學教授。從某種意義上說，同位素是一種元素的不同類型，其原子核中的質子數量相同但中子數量不同。

FRIB 的加速器開始以低功率工作，但當它完成加速到全功率時，它將成為地球上最強大的重離子加速器。通過加速重離子——元素的帶電原子——FRIB 將使像我們這樣的科學家能夠創造和研究數千種前所未見的同位素。一個由來自世界各地的大約 1,600 名核科學家組成的社區已經等待了 10 年，才開始利用新型粒子加速器開展科學研究。

FRIB的首批實驗于2022 年夏季完成。盡管該設施目前僅以其全部功率的一小部分運行，但在 FRIB 開展的多項科學合作已經產生并檢測了大約 100 種稀有同位素。這些早期結果正在幫助研究人員了解宇宙中一些最稀有的物理學。

什么是稀有同位素?

生產大多數同位素需要大量的能量。在自然界中，重稀有同位素是在稱為超新星的大質量恒星災難性死亡或兩顆中子星合并期間產生的。

用肉眼看，任何元素的兩種同位素看起來和行為都相同——元素汞的所有同位素看起來就像舊溫度計中使用的液態金屬。然而，由于同一元素的同位素原子核具有不同數量的中子，因此它們在壽命長短、發射的放射性類型以及許多其他方面都不同。

例如，有些同位素很穩定，不會衰變，也不會發出輻射，因此在宇宙中很常見。同一元素的其他同位素可能具有放射性，因此它們在變成其他元素時不可避免地會衰變。由于放射性同位素會隨著時間的推移而消失，因此它們相對較少。

但并非所有衰變都以相同的速度發生。一些放射性元素——如鉀 40——通過衰變發射粒子，其發射率非常低，以至于少量的同位素可以持續數十億年. 其他放射性更高的同位素，如鎂 38，在衰變成其他元素之前只存在幾分之一秒。短壽命同位素，顧名思義，壽命不長，在宇宙中很稀有。所以如果你想研究它們，你必須自己制作它們。

稀有同位素束設施旨在讓研究人員能夠制造稀有同位素并在它們衰變之前對其進行測量。稀有同位素束設備,抄送-ND

在實驗室中創建同位素

雖然只有大約地球上天然存在 250 種同位素, 理論模型預測自然界中應該存在 7,000 種同位素. 科學家們使用粒子加速器來產生周圍3,000 種稀有同位素.

FRIB 加速器長 1,600 英尺，由三段折疊成大致回形針的形狀組成。在這些部分中有許多極冷的真空室，它們使用強大的電磁脈沖交替地拉動和推動離子。FRIB 可以將任何天然存在的同位素——無論是輕如氧還是重如鈾——加速到大約光速的一半.

要制造放射性同位素，您只需將這束離子粉碎成固體目標，例如一塊鈹金屬或一個旋轉的碳盤。

離子束對碎裂靶的影響打破穩定同位素的原子核并同時產生數百種稀有同位素。為了將感興趣的或新的同位素與其余同位素隔離開來，分離器位于目標和傳感器之間。具有正確動量和電荷的粒子將通過分離器，而其余的則被吸收。只有一個所需同位素的子集將到達許多儀器建立觀察粒子的性質。

在單次碰撞中產生任何特定同位素的概率可能非常小。創造一些更稀有的奇異同位素的幾率大約是千萬億分之一– 與連續贏得超級百萬頭獎的幾率大致相同。但 FRIB 使用的強大離子束包含如此多的離子，并在一次實驗中產生如此多的碰撞，因此團隊可以合理地期望找到最稀有的同位素. 根據計算，FRIB的加速器應該可以產生大約 80% 的所有理論同位素.

前兩次FRIB科學實驗

由勞倫斯伯克利國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室 (ORNL)、田納西大學諾克斯維爾分校 (UTK)、密西西比州立大學和佛羅里達州立大學的研究人員領導的多機構團隊與密歇根州立大學的研究人員一起開始進行第一個實驗2022 年 5 月 9 日在 FRIB。該小組以 1 千瓦的功率將一束鈣 48(鈣原子核有 28 個中子，而不是通常的 20 個中子)射入鈹靶中。即使在該設施 400 千瓦最大功率的百分之四分之一的情況下，大約 40 種不同的同位素也會通過分離器到達儀器.

FDSi 設備記錄了每個離子到達的時間、它是什么同位素以及它衰變的時間。利用這些信息，合作推導出了同位素的半衰期;團隊已經報告了五個以前未知的半衰期.

第二次 FRIB 實驗于 2022 年 6 月 15 日開始，由來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、ORNL、UTK 和 MSU 的研究人員合作領導。該設施加速了一束硒 82，并用它來生產元素鈧、鈣和鉀的稀有同位素。這些同位素通常存在于中子星中，該實驗的目的是更好地了解這些同位素在衰變時發出的放射性類型。了解這個過程可以闡明中子星如何失去能量.

前兩個 FRIB 實驗只是這個新設施能力的冰山一角。未來幾年，FRIB 將探索核物理學中的四大問題：首先，質子數和中子數相差很大的原子核有什么性質?第二，宇宙中的元素是怎么形成的?第三，物理學家是否了解宇宙的基本對稱性，例如為什么宇宙中的物質多于反物質?最后，稀有同位素信息如何應用于醫學、工業和國家安全?