تأسیسات پرتوهای ایزوتوپی نادر،کمتر از یک سال پس از افتتاح، پنج ایزوتوپ که تا پیش از این دیده نشده بود را برای مشاهده تولید کرد؛ موفقیتی که به گفته محققان توانایی اکتشافی این تأسیسات را برجسته می کند.

محققان با استفاده از جداکننده ایزوتوپ نادر پیشرفته در تأسیسات پرتوهای ایزوتوپ نادر، پنج ایزوتوپ غنی از نوترون مربوط به تولیوم (Tm)، ایتربیوم (Yb) و لوتتیوم (Lu) که قبلاً دیده نشده بودند را شناسایی کردند. این هسته های بسیار ناپایدار (زرد)، از نظر تعداد پروتون و نوترون با هسته های پایدار (سیاه) متفاوت هستند.

در حالی که برخی از گونه‌های عنصری (ایزوتوپ‌ها) می‌توانند برای ساعت‌ها، هفته‌ها یا حتی هزاره‌ها زندگی کنند، برخی دیگر چنان سریع در جهان ظاهر و ناپدید می شوند که دانشمندان قادر به تأیید وجود آنها نیستند. علیرغم این عمرهای زودگذر، اخترفیزیکدانان فکر می کنند این ذرات، که مجموعا ایزوتوپ های نادر نامیده می شوند، نقش مهمی در تکامل ستارگان و در شکل گیری عناصر سنگین کیهان دارند. اکنون محققان مرکز پرتوهای ایزوتوپ نادر (Facility for Rare Isotope Beams- FRIB) در دانشگاه ایالتی میشیگان، پنج ایزوتوپ کمیاب را که قبلاً دیده نشده بودند ساخته و فهرست‌بندی کرده‌اند که همگی حاوی تعداد زیادی نوترون هستند [1].

این دستاورد چند ماه پس از باز شدن درهای تأسیسات و تکمیل آن در حالی به دست آمد که تجهیزات با بخشی از پتانسیلِ کاملِ یافتن ایزوتوپ کار می‌کردند، و دانشمندان FRIB را به حدس و گمان واداشت که این اکتشافات تازه آغاز بسیاری از موارد آینده است. الکساندرا گید Alexandra Gade، مدیر علمی FRIB و یکی از سخنگویان این مطالعه ایزوتوپ یابی، می گوید: «ما ثابت کردیم که می توانیم ایزوتوپ های کمیاب جدید را با کمتر از یک سال عملیات پیدا کنیم. "این نشان می دهد که پتانسیل زیادی برای آزمایش های آینده وجود دارد."

هر عنصر در جدول تناوبی با عدد اتمی (تعداد پروتون های موجود در آن) و عدد جرم اتمی (عدد پروتون به اضافه متوسط عدد نوترونی) فهرست شده است. متوسط عدد نوترون بر اساس ایزوتوپ‌های پایدار موجود در زمین است، اما ایزوتوپ‌های ناپایدار یک عنصر می‌توانند طیف وسیعی از اعداد نوترونی داشته باشند. به عنوان مثال، اکسیژن، که جدول تناوبی آن را شامل 8 پروتون و 8 نوترون فهرست می کند، می تواند حاوی 3 نوترون یا 20 نوترون باشد. ایزوتوپ های ناپایدار پس از مدت زمان های مختلف واپاشی می کنند: برای مثال، اکسیژن-28 در یک تریلیونیومِ میلیاردم ثانیه تجزیه شده و به اکسیژن-24 تبدیل می شود؛ ایزوتوپ اکسیژن ناپایدار دیگری، که سپس این بار در 77 هزارم ثانیه واپاشی می کند.

آزمایش‌های تولید ایزوتوپ نوعاً شامل برخورد دادن اتم‌ها به اهداف، و جستجوی پسماندها برای یافتن باقیمانده های جالب است. بسیاری از ایزوتوپ‌های ایجاد شده به این روش حاوی تعداد کمتری نوترون و پروتون نسبت به اتم‌های اصلی هستند. اما محققان علاقه مند به مطالعه ایزوتوپ های بسیار سنگین با اعداد پروتون و نوترونی هستند که به اتم های اصلی بسیار نزدیک و گاهی اوقات فراتر از آن هستند. تصور می شود که چنین ایزوتوپ هایی در فرآیند به اصطلاح r که عناصر سنگین را در ستارگان و در انفجارهای ستاره ای تشکیل می دهد، نقش دارند. اما درک این نقش چالش برانگیز است، زیرا این ایزوتوپ‌های سنگین احتمالات کمی برای ظاهر شدن در آزمایش‌های زمینی دارند. FRIB برای مقابله با این چالش با استفاده از پرتوهای قدرتمند و روش‌های تشخیص بسیار حساس طراحی شده است.

آزمایش‌هایی که گید و همکارانش انجام دادند شامل برخورد دادن یک پرتو پرانرژی از ذرات پلاتین-198 به یک صفحه دایره‌ای از کربن بود. اجزای این برخوردها سپس به جداکننده ایزوتوپ کمیاب پیشرفته (Advanced Rare Isotope Separator-ARIS) هدایت شدند و در آنجا فهرست شدند. ARIS از ترکیبی از ساز و کارهای مختلف مغناطیسی و فیزیکی برای فیلتر کردن هسته ها بر اساس جرم آنها استفاده می کند. برد شریل Brad Sherrill، سرپرست تیم ابزار ARIS می گوید: می توانید آن را به عنوان یک طیف سنج جرمی بسیار پیشرفته در نظر بگیرید. به گفته شریل، در واقع آنقدر پیشرفته است که محققان می توانند یک ایزوتوپ منفرد را از مجموعه اولیه 1018 هسته ای جدا کنند.

گید، شریل و همکارانشان با جست و جوی ایزوتوپ هایی که ARIS طی آزمایشی در ژانویه 2023 شناسایی کرد، بین 3 تا 29 مورد از هر یک از پنج ایزوتوپ غنی از نوترون که قبلاً شناسایی نشده بودند را آشکار کردند: تولیوم-182، تولیوم-183، ایتربیوم-186، ایتربیوم-187 و لوتتیوم-190. این تیم همچنین یک رویداد منفرد را مشاهده کردند که با خواص ایزوتوپی حاوی دو نوترون بیشتر از 120 ذره ی پلاتین موجود در پرتو مطابقت داشت (پنج ایزوتوپ تایید شده همگی کمتر داشتند). "جدا کردن نوترون ها" در یک برخورد بسیار بعید است، اما این یک نوع رویداد است که محققان FRIB امیدوارند با ادامه آزمایش بیشتر شاهد آن باشند. شریل می گوید: برخی از چیزهای جدیدی که دیدیم، احتمال ساخت فوق العاده کمی دارند. اما هنوز به اندازه کافی ساخته می شدند که در طول چند روز آزمایش بتوانیم آنها را ببینیم.

دن بردایان Dan Bardayan، مدیر آزمایشگاه علوم هسته‌ای در دانشگاه نوتردام، ایندیانا، می‌گوید: یکی از مشاهده پذیرهای بنیادی فیزیک هسته‌ای این است که آیا یک هسته معلوم، وجود دارد یا به سادگی به اجزای تشکیل‌دهنده آن تجزیه می‌شود.

او اشاره می‌کند که FRIB برای بررسی محدودیت‌های موجودیت هسته‌ای ساخته شده است، که برای درک اینکه آیا دانشمندان دارند مجموعه‌ داده‌های اخترفیزیکی چند پیام‌رسان که اکنون توسط رصدخانه‌های سراسر جهان جمع‌آوری می‌شوند را درست تفسیر می کنند، بسیار مهم است. جیانجون هی Jianjun He، فیزیکدان هسته ای تجربی در دانشگاه عادی پکن، با این موضوع موافق است. در یافتن ایزوتوپ‌های جدید، او می‌گوید که محققان FRIB «قابلیت‌های چشمگیر تأسیسات» و «پتانسیل کشف بزرگ آینده» ی آن را نشان می‌دهند.

شناسایی ایزوتوپ‌های تولیوم، ایتربیوم و لوتتیوم هنگام اجرای پرتوی پلاتین در 1/270 ام از قابلیت‌های کامل تأسیسات انجام شد. گید می‌گوید وقتی محققان شار - تعداد ذرات پلاتین که به هدف برخورد می‌کنند - را افزایش ‌دهند، برخوردهای پرتو-هدف بیشتری خواهند داشت و "مواد بیشتری از طرف دیگر بیرون می‌آیند". ما مرتبه های بزرگتری از این ایزوتوپ های خاص و سایر ایزوتوپ های نادر را دریافت خواهیم کرد.

ایزوتوپ نادری که گید امیدوار است در خلال افزایش شار پیدا کند، ایزوتوپ حاوی 126 نوترون است. برای نوترون ها، 126 یک عدد به اصطلاح جادویی است، زیرا ایزوتوپ های حاوی 126 نوترون بسیار پایدارتر از ایزوتوپ هایی هستند که چند نوترون بیشتر یا کمتر دارند. گید می‌گوید ویژگی‌های فرآیند r در اطراف اعداد جادویی تغییر می‌کند، لذا اخترفیزیکدانان مایلند که نحوه رفتار این ایزوتوپ‌ها را بهتر درک کنند. ما در حال حاضر شار پرتو را تا 6 برابر افزایش داده‌ایم و به زودی افزایش دیگری را نیز برنامه‌ریزی کرده‌ایم، بنابراین در مسیر دیدن چنین ایزوتوپی هستیم.

[1] O. B. Tarasov et al., “Observation of new isotopes in the fragmentation of 198Pt at FRIB,” Phys. Rev. Lett. 132, 072501 (2024).

منبع:

Five New Isotopes Is Just the Beginning

ترجمه خبر: شهره کرمی