期待已久的加速器准备探索元素的起源

　　稀有同位素束设施将是第一个生产和分析数百种对物理学至关重要的同位素的设施。
　　密歇根州立大学校园内稀有同位素束设施的鸟瞰图。
　　密歇根州立大学校园内稀有同位素束设施的鸟瞰图。学分：稀有同位素束设施
　　核物理学家的最高愿望之一即将实现。经过数十年的等待，耗资 9.42 亿美元的密歇根加速器将于 5 月 2 日正式落成。它的实验将绘制奇异原子核景观的未探索区域，并阐明恒星和超新星爆炸如何创造宇宙中的大部分元素。
　　＂这个项目实现了整个核物理学界的梦想，＂印第安纳州圣母大学的实验核物理学家 Ani Aprahamian 说。在诺克斯维尔田纳西大学研究核物理的凯特琼斯表示同意。＂这是我们期待已久的设施，＂她说。
　　可能颠覆基础物理学的消失中微子
　　位于东兰辛的密歇根州立大学 (MSU) 的稀有同位素束设施 (FRIB) 的预算为 7.3 亿美元，其中大部分由美国能源部资助，密歇根州出资 9450 万美元。MSU 以各种方式额外贡献了 2.12 亿美元，包括土地。它取代了位于同一地点的早期国家科学基金会加速器，称为国家超导回旋加速器实验室 (NSCL)。FRIB 的科学主管、核物理学家 Bradley Sherrill 说，FRIB 的建设始于 2014 年，并于去年底完成，＂提前五个月且在预算之内＂。
　　几十年来，核物理学家一直在推动其能源设施的建设——其生产稀有同位素的速度比世界范围内的 NSCL 和类似加速器快几个数量级。这种机器的第一个提案出现在 1980 年代后期，并在 1990 年代达成共识。＂社区坚持认为我们需要获得这样的工具，＂理论核物理学家兼 FRIB 首席科学家 Witold Nazarewicz 说。
　　内部工作
　　所有 FRIB 实验都将在设施的地下室开始。特定元素（通常是铀）的原子将被电离并被送入一个 450 米长的加速器，该加速器像回形针一样弯曲，以适合 150 米长的大厅。在管道的末端，离子束将撞击一个连续旋转的石墨轮，以避免任何特定位置过热。大多数原子核将穿过石墨，但一小部分会与其碳原子核发生碰撞。这导致铀原子核分裂成更小的质子和中子组合，每一个都是不同元素和同位素的原子核。
　　然后，这束不同的原子核将被引导至地面的＂碎片分离器＂。分离器由一系列磁铁组成，这些磁铁将每个原子核向右偏转，每个磁体的角度取决于其质量和电荷。通过微调这个过程，FRIB 操作员将能够为每个特定实验产生一个完全由一种同位素组成的光束。
　　然后可以通过迷宫般的束管将所需的同位素路由到许多实验大厅之一。Sherrill 说，在最稀有同位素的情况下，生产率可能低至每周一个原子核，但实验室将能够交付和研究几乎每一个原子核。
　　FRIB 的一个独特之处在于它具有第二个加速器，可以将稀有同位素撞击固定目标，以模拟恒星或超新星内部发生的高能碰撞。
　　FRIB 将以相对较低的光束强度开始运行，但其加速器将逐渐加速以比 NSCL 高几个数量级的速率产生离子。与 NSCL 中的离子携带 140 MeV 的能量相比，每个铀离子也将更快地到达石墨靶，携带 200 兆电子伏特的能量。Sherrill 说，FRIB 的较高能量处于产生大量不同同位素的理想范围内，其中包括数百种以前从未合成过的同位素。
　　知识的边缘
　　物理学家对 FRIB 的上线感到兴奋，因为他们对同位素景观的了解仍然是初步的。原则上，将原子核结合在一起的力是强力的结果——自然界的四种基本力之一，以及将三个夸克结合在一起形成中子或质子的相同力。但 Nazarewicz 说，原子核是具有许多运动部件的复杂物体，不可能完全根据第一原理来预测它们的结构和性质。
　　因此，研究人员炮制了各种简化模型，这些模型可以预测特定范围核的某些特征，但可能会失败或仅给出超出该范围的近似估计。Nazarewicz 说，这甚至适用于基本问题，例如同位素衰变的速度——它的半衰期——或者它是否可以形成。＂如果你问我存在多少锡同位素或铅，答案将是一个很大的误差线，＂他说。FRIB 将能够合成数百种以前未观察到的同位素（参见＂未探索的核＂），并通过测量它们的特性，开始对许多核模型进行测试。
　　未探索的原子核。 图表显示测量和观察到的同位素与 FRIB 可能产生的同位素对比。
　　资料来源：Neufcourt, L.等人。物理。修订版 C 101 , 044307 (2020)
　　琼斯和其他人将特别热衷于研究具有＂神奇＂数量的质子和中子的同位素——例如 2、8、20、28 或 50——这使得原子核的结构特别稳定，因为它们形成了完整的能级（已知作为贝壳）。魔同位素特别重要，因为它们为理论模型提供了最清晰的测试。多年来，琼斯和她的团队一直在研究中子逐渐减少的锡同位素，逐渐接近 tin-100，它具有神奇的中子和质子数量。
　　理论上的不确定性也意味着研究人员还没有详细解释元素周期表中所有元素是如何形成的。大爆炸基本上只产生了氢和氦。表中包括铁和镍在内的其他化学元素主要是通过恒星内部的核聚变形成的。但是较重的元素不能通过聚变形成。它们是通过其他方式伪造的——通常是通过放射性β衰变。当原子核获得如此多的中子以致变得不稳定时，就会发生这种情况，其中一个或多个中子会变成质子，从而产生具有更高原子序数的元素。
　　当原子核在短暂但灾难性的事件中被中子轰击时，例如超新星或两颗中子星的合并，就会发生这种情况。在 2017 年观察到的此类事件中研究最充分的事件与碰撞球体产生比铁重的元素的模型一致。但密歇根州立大学的核天体物理学家亨德里克·沙茨 (Hendrik Schatz) 说，天体物理学家无法观察到制造了哪些特定元素或制造了多少元素。他说，FRIB 的主要优势之一是探索在这些事件中产生的富含中子的同位素。
　　超导射频直线加速器安装在稀有同位素束设施的直线加速器隧道中。
　　FRIB 的直线加速器由 46 个低温模块组成，它们在比绝对零高几度的温度下运行时加速离子束。学分：稀有同位素束设施
　　该设施将有助于回答＂一个原子核可以添加多少中子，以及它如何改变原子核内部的相互作用？＂这一基本问题。芬兰于韦斯屈莱大学的实验物理学家 Anu Kankainen 说。
　　德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家克劳斯·布劳姆说，FRIB 将与其他研究核同位素的最先进加速器相辅相成。日本和俄罗斯的设施经过优化，可以生产尽可能重的元素，即元素周期表末尾的元素。
　　耗资 31 亿欧元的反质子和离子研究设施 (FAIR) 是一个正在德国达姆施塔特建造的原子粉碎机，计划于 2027 年完工（尽管在入侵乌克兰后冻结俄罗斯的参与可能会带来一些延误） . FAIR 将产生反物质和物质，并且能够将原子核储存更长时间。＂你不能用一台机器做所有事情，＂曾在 FRIB 和 FAIR 咨询委员会任职的 Blaum 说。
　　doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00711-5