Ny akselerator bygger umulige atomer

En ny maskin gir fysikerne mulighet til å skape tusenvis av atomer de aldri har sett før. Målet er å finne ut hvordan de kjente grunnstoffene ble til, og hvordan det i det hele tatt kan være materie i universet.

En ny maskin gir fysikerne mulighet til å skape tusenvis av atomer de aldri har sett før. Målet er å finne ut hvordan de kjente grunnstoffene ble til, og hvordan det i det hele tatt kan være materie i universet.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Derfor bør du lese artikkelen

Få innsikt i hvordan partikkelfysikerne skaper merkverdige atomer i laboratoriet.
Forstå hvordan forsøkene kan løse gåten om hvorfor universet ikke er tomt.

I århundrer skramlet middelalderens alkymister rundt med kolber og smeltedigler i sine dunkle laboratorier – blant annet i håp om å skape gull eller livsforlengende eliksirer. I dag har forskerne helt andre verktøy til rådighet.

I gigantiske akseleratorer spalter fysikere naturens grunnstoffer og setter dem sammen til nye atomer – ikke bare til gull, men også grunnstoffer som aldri har blitt sett før, og som kan være verdt mye mer.

Partikkelfysikernes nyeste redskap er maskinen FRIB, som sto ferdig våren 2022 ved det statlige universitetet i Michigan i USA. FRIB står for Facility for Rare Isotope Beams, og det er akkurat det den er: et anlegg for stråling av sjeldne isotoper – altså ulike utgaver av grunnstoffene.

Nye atomkjerner varer bare i noen få mikrosekunder.

De eksotiske isotopene er ofte så ustabile at de går i stykker etter ganske kort tid, noen ganger bare noen mikrosekunder. Men fordi FRIB er bygd for å lage mange av dem og isolere dem i én stråle, er det mulig for forskerne å foreta målinger.

Hovedformålet med FRIB er å gi oss mer kunnskap om de reglene som styrer atomenes oppbygning, hva som holder dem sammen, og hvorfor de forsvinner igjen. Dermed kan vi forhåpentligvis få svar på hvordan naturens tyngste grunnstoffer har blitt til – og hvorfor det i det hele tatt finnes atomer i universet.

acceleratoren FRIB

Siden 2014 har forskere jobbet med å konstruere akseleratoren FRIB. Våren 2022 sto den klar til å gjennomføre de første forsøkene.

© FRIB

Nye former overrasker forskerne

Isotopene av et grunnstoff skiller seg fra hverandre ved antallet nøytroner i atomkjernen. Nøytronenes oppgave er å motvirke frastøtingen mellom protonene, som har positiv ladning, og dermed holde sammen kjernen.

Vanligvis er nøytronene og protonene i kjernen ordnet i en kule med en sverm av negative elektroner rundt – akkurat slik vi er vant til å se det på tegninger av atomer.

Men så enkelt er det ikke alltid.

Det ble klart etter at en gruppe japanske og amerikanske forskere i 1985 finstuderte isotopen litium-11.

Denne varianten har åtte nøytroner i kjernen, altså fire mer enn den vanligste formen av grunnstoffet, litium-7. Men den store overraskelsen var at nøytronene var ordnet helt annerledes: To av dem svevde rundt kjernen som små planeter.

Siden oppdagelsen av den merkelige atomkjernen i litium-11 har fysikerne funnet flere andre kjerner som også avviker fra det normale. Det gjelder for eksempel kjernen i radium-225, som er pæreformet i stedet for kulerund.

Partikkelfysikere har oppdaget at ulike utgaver, såkalte isotoper, av grunnstoffer har atomkjerner som er formet annerledes enn normalen.

© Shutterstock

1. Den velkjente

Atomkjerner er som regel formet som en kompakt kule som består av protoner og nøytroner. Det gjelder for eksempel for litium-7.

© Shutterstock

2. Den todelte

Isotopen litium-11 inneholder fire ekstra nøytroner. Men to av dem kretser som små planeter rundt resten av kjernen.

© Shutterstock

3. Den uformelige

Isotopen radium-225 har ikke en rund, men en pæreformet kjerne, noe som gjør ladningen asymmetrisk.

Begge eksempler viser at fysikernes vanlige modell for atomers oppbygning er ufullkommen, og det er her FRIB virkelig har en oppgave å løse.

Vi trenger en ny atommodell

Ved å studere minst tusen og kanskje opptil tre tusen isotoper med kort liv skal forskerne levere nok data til at de en gang for alle kan utvikle en robust modell for hvordan partiklene i atomene påvirker hverandre og klumper seg sammen.

Akseleratoren skal lage alle disse isotopene ved å tvinge urankjerner opp i en hastighet på 500 000 000 km/t. Det skjer ved hjelp av 46 magnetiske moduler som er plassert langs det 450 meter lange akseleratorrøret.

msu accelerator

Akseleratorens 450 meter lange rør går gjennom 46 containere med magnetmoduler. De superledende magnetene kjøles ned til minus 268 °C med flytende helium.

© FRIB

Når urankjernene når den andre enden av akseleratoren, styres de rett inn i en plate av karbon.

Kollisjonene resulterer i myriader av nye atomkjerner, blant annet de eksotiske isotopene fysikerne er på jakt etter.

En rekke magneter sorterer vekk de uønskede kjernene slik at forskerne står igjen med en stråle av nøyaktig den isotopen de vil studere.

Et av de store spørsmålene studiene skal avklare, er hvordan tunge atomer som gull dannes i verdensrommet.

I dag er astronomenes beste gjetning at det skjer når en stjerne på minst åtte ganger solens masse eksploderer i en supernova, eller når to såkalte nøytronstjerner støter sammen.

I begge tilfeller oppstår det et overskudd av nøytroner. De kan blant annet jernatomer til en viss grad ta opp og gjøre om til protoner, slik at tyngre grunnstoffer blir skapt.

Med FRIB får fysikerne nå enda bedre muligheter til å etterligne prosessen på jorden.

Universet Sammenstød neutronstjerner

Universets tyngste grunnstoffer skapes under ekstreme forhold, for eksempel i sammenstøtet mellom to nøytronstjerner.

© Carnegie Institution for Science

Et annet og enda større spørsmål er hvorfor det i det hele tatt finnes noe som helst i universet.

Astrofysikerne mener at big bang dannet like mye materie og antimaterie, som burde utslette hverandre og bare etterlate stråling.

Isotopen radium-225, med den pæreformede kjernen, kan kanskje avsløre om det finnes en bitte liten forskjell på hvordan kjernenes ladninger oppfører seg i materie og antimaterie – en forskjell som kanskje kan være årsaken til at det ble litt materie til overs som universets tåker, stjerner og planeter kunne dannes av.

Ustabile atomer dreper kreft

Parallelt med utforskningen av de store spørsmålene vil akseleratoren levere materiale til mer praktiske formål.

Det gjelder for eksempel den radioaktive isotopen terbium-149. Når den henfaller, altså går i stykker, sender kjernen ut en såkalt alfapartikkel, som består av to protoner og to nøytroner med høy energi.

Alfastrålingen fra terbium-149 er perfekt i partikkelterapi mot kreft – en spesiell type strålebehandling som treffer kreftsvulsten veldig nøyaktig slik at det friske vevet ikke blir skadet. Det er særlig viktig når svulsten ligger nær et livsviktig og sårbart organ, for eksempel hjernen.

Partikelstråling isotopen terbium-149

Bestråling av kreftsvulster foregår blant annet med alfapartikler som frigjøres når isotopen terbium-149 henfaller.

© Shutterstock

For kreftpasienter kan FRIB dermed levere en slags livseliksir, slik de gamle alkymistene fantaserte om.

Og når det gjelder drømmen om gull, kan FRIB produsere isotoper som er ekstremt sjeldne og derfor også veldig verdifulle.

Et godt eksempel er californium-252, som blant annet brukes i atomreaktorer. I dag koster et enkelt gram opp mot 190 millioner kroner – altså 470 000 ganger så mye som gull!