元素の起源を探求する準備ができている待望の加速器

原子核物理学者の最大の願いの1つが実現しようとしています。 数十年にわたる待機の後、ミシガン州の9億4,200万米ドルの加速器が5月2日に正式に発足します。 その実験は、エキゾチックな原子核の風景の未踏の領域を図示し、星と超新星の爆発が宇宙のほとんどの元素をどのように作り出すかを明らかにします。

「このプロジェクトは、核物理学におけるコミュニティ全体の夢の実現でした」と、インディアナ州のノートルダム大学の実験的核物理学者であるアニ・アプラハミアンは言います。 テネシー大学ノックスビル校で原子核物理学を研究しているケイト・ジョーンズも同意します。 「これは私たちにとって待望の施設です」と彼女は言います。

イーストランシングにあるミシガン州立大学（MSU）のレアアイソトープビーム施設（FRIB）の予算は7億3000万ドルで、そのほとんどは米国エネルギー省から資金提供を受けており、ミシガン州から9450万ドルの寄付がありました。 MSUは、土地を含むさまざまな方法でさらに2億1,200万ドルを寄付しました。 これは、同じ場所にある国立超伝導サイクロトロン研究所（NSCL）と呼ばれる以前の国立科学財団加速器に代わるものです。 FRIBの建設は2014年に開始され、昨年末に「5か月早く、予算内で」完了したと、FRIBの科学ディレクターである原子力物理学者のBradleySherrill氏は述べています。

何十年もの間、原子核物理学者はその力のある施設を求めてきました。これは、世界中のNSCLや同様の加速器で可能であるよりも桁違いに速い希少同位体を生成できる施設です。 このような機械の最初の提案は1980年代後半に行われ、1990年代に合意に達しました。 「コミュニティは、私たちがこのようなツールを手に入れる必要があることを断固として主張しました」と、理論的な核物理学者であり、FRIBの主任科学者であるWitoldNazarewiczは言います。

内部の仕組み

すべてのFRIB実験は、施設の地下室で開始されます。 特定の元素、通常はウランの原子はイオン化され、長さ150メートルのホール内に収まるようにペーパークリップのように曲がる長さ450メートルの加速器に送られます。 パイプの端で、イオンのビームは、特定のスポットの過熱を避けるために連続的に回転するグラファイトホイールに当たります。 ほとんどの核はグラファイトを通過しますが、一部はその炭素核と衝突します。 これにより、ウランの原子核は陽子と中性子のより小さな組み合わせに分解され、それぞれが異なる元素と同位体の核になります。

さまざまな核のこのビームは、地上レベルの「フラグメントセパレーター」に向けられます。 セパレーターは、各核を右に向けて偏向させる一連の磁石で構成されており、それぞれの質量と電荷に応じた角度になっています。 このプロセスを微調整することにより、FRIBオペレーターは、特定の実験ごとに1つの同位体のみで構成されるビームを生成できるようになります。

次に、目的の同位体をビームパイプの迷路を介して多くの実験ホールの1つにルーティングできます。 最も希少な同位体の場合、生産率は週に1つの核と同じくらい低くなる可能性がありますが、ラボはほぼすべての核を提供して研究することができます、とシェリルは言います。

FRIBのユニークな特徴は、星や超新星の内部で発生する高エネルギーの衝突を模倣するために、まれな同位体を取り、それらを固定されたターゲットに対して粉砕できる2番目の加速器を備えていることです。

FRIBは比較的低いビーム強度で動作を開始しますが、その加速器は徐々に上昇し、NSCLよりも桁違いに高い速度でイオンを生成します。 また、各ウランイオンは、NSCLのイオンによって運ばれる140 MeVと比較して、200メガ電子ボルトのエネルギーを運び、グラファイトターゲットまでより速く移動します。 FRIBのより高いエネルギーは、これまで合成されたことのない数百を含む、膨大な数の異なる同位体を生成するための理想的な範囲にあるとシェリルは言います。

知識のエッジ

物理学者は、同位体の風景に関する知識がまだ暫定的であるため、FRIBがオンラインになることに興奮しています。 原子核を一緒に保持する力は、原則として、強い力の結果です—自然の4つの基本的な力の1つと、3つのクォークを結合して中性子または陽子を作る同じ力です。 しかし、核は多くの可動部分を持つ複雑な物体であり、それらの構造と特性を第一原理から正確に予測することは不可能です、とNazarewiczは言います。

したがって、研究者は、特定の範囲の核のいくつかの特徴を予測するさまざまな単純化されたモデルを作成しましたが、失敗するか、その範囲外の概算のみを与える可能性があります。 これは、同位体の崩壊速度（半減期）や、同位体が形成できるかどうかなどの基本的な質問にも当てはまります、とNazarewicz氏は言います。 「スズの同位体または鉛がいくつ存在するかを尋ねると、大きなエラーバーが表示されます」と彼は言います。 FRIBは、これまで観測されていなかった何百もの同位体を合成できるようになり（「未踏の核」を参照）、それらの特性を測定することで、多くの核モデルをテストし始めます。

ジョーンズと他の人々は、完全なエネルギー準位を形成するため、核の構造を特に安定させる「魔法数」の陽子と中性子（2、8、20、28、50など）を持つ同位体の研究に特に熱心になります（既知シェルとして）。 魔法の同位体は、理論モデルに対して最もクリーンなテストを提供するため、特に重要です。 ジョーンズと彼女のグループは、中性子と陽子の両方の魔法数を持つスズ100に向かって、徐々に中性子が少なくなるスズ同位体を長年研究してきました。

理論的な不確実性はまた、研究者が周期表のすべての元素がどのように形成されたかについての詳細な説明をまだ持っていないことを意味します。 ビッグバンは本質的に水素とヘリウムのみを生成しました。 鉄とニッケルまでの表の他の化学元素は、主に星の内部の核融合によって形成されました。 しかし、より重い元素は融合によって形成することはできません。 それらは他の手段によって、典型的には放射性β崩壊によって偽造されました。 これは、原子核が非常に多くの中性子を獲得して不安定になり、その中性子の1つまたは複数が陽子に変わり、より高い原子番号の元素を生成するときに発生します。

これは、超新星や2つの中性子星の合体など、短時間ではあるが大変動のイベントで原子核に中性子が衝突した場合に発生する可能性があります。 2017年に観察されたこのタイプの最もよく研​​究されたイベントは、衝突するオーブが鉄より重い元素を生成するモデルと一致していました。 しかし、天体物理学者は、どの特定の元素がどのくらいの量で作られたかを観察できなかったと、MSUの核天体物理学者であるヘンドリック・シャッツは言います。 FRIBの主な強みの1つは、これらのイベント中に生成される中性子に富む同位体を探索することです、と彼は言います。

この施設は、「原子核にいくつの中性子を加えることができ、それが原子核内の相互作用をどのように変えるか」という基本的な質問に答えるのに役立ちます。 フィンランドのユヴァス​​キュラ大学の実験物理学者であるアヌ・カンカイネンは言います。

FRIBは、核同位体を研究する他の最先端の加速器を補完するものになると、ドイツのハイデルベルクにあるMax Planck Institute forNuclearPhysicsの物理学者であるKlausBlaumは述べています。 日本とロシアの施設は、周期表の最後にある最も重い元素を生成するように最適化されています。

ドイツのダルムシュタットで建設中の原子粉砕機である31億ユーロの反プロトンイオン研究施設（FAIR）は、2027年に完成する予定です（ただし、ウクライナの侵略後のロシアの参加の凍結は、多少の遅れをもたらす可能性があります） 。 FAIRは物質だけでなく反物質も生成し、核を長期間保存できるようになります。 「1台のマシンですべてを行うことはできません」と、FRIBとFAIRの両方の諮問委員会に参加しているBlaum氏は言います。