Uusi kiihdytin tuottaa eksoottisia atomeja

Uusi laite tarjoaa fyysikoille mahdollisuuden luoda tuhansittain atomeja, joiden kaltaisia ei ole ennen nähty. Tarkoitus on selvittää, miten tunnetut alkuaineet ovat syntyneet ja miten universumissa ylipäätään voi olla ainetta.

Uusi laite tarjoaa fyysikoille mahdollisuuden luoda tuhansittain atomeja, joiden kaltaisia ei ole ennen nähty. Tarkoitus on selvittää, miten tunnetut alkuaineet ovat syntyneet ja miten universumissa ylipäätään voi olla ainetta.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Tästä syystä artikkeli kannattaa lukea

Hiukkasfyysikot luovat kummallisia atomeja laboratoriossa.
Kokeet voivat ratkaista arvoituksen siitä, miksi universumi ei ole tyhjä.

Keskiajan alkemistit kolistelivat kolvejaan ja sulatusuunejaan pimeissä laboratorioissaan – toivoen turhaan voivansa muun muassa luoda kultaa tai elämää pidentäviä eliksiirejä. Nykyään heidän seuraajillaan on aivan toisenlaiset laitteet.

Valtavissa kiihdyttimissä fyysikot hajottavat luonnon alkuaineita ja kokoavat ne uusiksi atomeiksi – eikä vain kullaksi, vaan myös aineiksi, joita ei aiemmin ole nähty ja jotka voivat olla paljon kultaakin arvokkaampia.

Hiukkasfyysikoiden uusin väline on FRIB, joka valmistui keväällä 2022 Michiganin valtionyliopistossa Yhdysvalloissa. FRIB on lyhenne sanoista Facility for Rare Isotope Beams. Sen tehtävänä on tuottaa sädekimppuja harvinaisista isotoopeista eli alkuaineiden erityisistä versioista.

Uudet atomiytimet säilyvät vain muutamia mikrosekunteja.

Eksoottiset isotoopit ovat usein niin epävakaita, että ne hajoavat lyhyen ajan, jopa parin mikrosekunnin, kuluttua. Koska FRIB on rakennettu luomaan niitä suuria määriä ja eristämään ne yhdeksi säteeksi, tutkijat voivat kuitenkin tehdä niistä mittauksia.

FRIBin päätavoite on auttaa tutkijoita ymmärtämään säännönmukaisuuksia, jotka ohjaavat atomien rakennetta, niiden koossa pysymistä ja niiden häviämistä. Näin saadaan toivottavasti vastaus siihen, miten luonnon raskaat alkuaineet ovat syntyneet – ja miksi kaikkeudessa ylipäätään on atomeja.

kiihdytin FRIB

FRIB-kiihdytintä on rakennettu vuodesta 2014 alkaen. Keväällä 2022 se oli valmiina ensimmäisiin kokeisiin.

© FRIB

Uudet muodot hämmästyttävät tutkijoita

Alkuaineen isotoopit erottaa toisistaan atomiytimien sisältämä neutronien määrä. Neutronien tehtävä ytimessä on vastustaa positiivisesti varautuneiden protonien keskinäistä hylkimistä ja siten pitää ydin koossa.

Normaalisti ytimen neutronit ja protonit ovat järjestyneet pallomaiseksi rakenteeksi, jonka ympärillä on parvi negatiivisia elektroneja. Näinhän on totuttu näkemään atomeja esittävistä piirroksista.

Aina asia ei kuitenkaan ole niin yksinkertainen.

Tämä kävi erityisen selväksi, kun japanilais-yhdysvaltalainen tutkijaryhmä vuonna 1985 tutki tarkasti isotooppia litium-11.

Litium-11:n ytimessä on kahdeksan neutronia, toisin sanoen neljä enemmän kuin yleisimmässä isotoopissa, litium-7:ssä. Suuri yllätys oli kuitenkin se, että neutronit olivat järjestyneet aivan toisin: kaksi niistä kiersi ytimen ympäri kuin pienet planeetat.

Oudon litium-11:n ytimen jälkeen fyysikot ovat löytäneet monia muitakin ytimiä, jotka poikkeavat normaalista. Yksi niistä on radium-225:n ydin, joka on epäsymmetrinen: ei pallon, vaan päärynän muotoinen.

Hiukkasfyysikot ovat havainneet, että alkuaineiden eri versioilla, isotoopeilla, on normaalimuodosta poikkeavia atomiytimiä.

© Shutterstock

1. Tuttu muoto

Atomiytimet ovat useimmiten muodoltaan kuin kompakti pallo, joka koostuu protoneista ja neutroneista. Esimerkkinä kuvassa litium-7.

© Shutterstock

2. Kaksiosainen

Isotooppi litium-11 sisältää neljä ylimääräistä neutronia. Niistä kuitenkin kaksi kiertää muuta ydintä kuin pienet planeetat.

© Shutterstock

3. Epämääräinen muoto

Isotooppi radium-225:n ydin ei ole pyöreä vaan päärynän muotoinen, mikä tekee sen varauksesta epäsymmetrisen.

Molemmat esimerkit osoittavat, että fyysikoiden yleinen malli atomien rakenteesta on epätäydellinen, ja juuri tässä FRIBillä on tehtävä ratkaistavanaan.

Uusi atomimalli on tarpeen

Tutkimalla ainakin 1 000:ta ja ehkä jopa 3 000:ta lyhytikäistä isotooppia ja niiden muotoa tutkijoiden on määrä tuottaa riittävästi tietoa, jotta voidaan kehittää kestävä malli siitä, miten atomien hiukkaset vaikuttavat toisiinsa ja miten ne järjestyvät.

Kiihdytin luo monia eri isotooppeja sinkoamalla uraaniatomit 500 000 000 kilometrin tuntinopeuteen. Se tapahtuu 46 magneettisen moduulin avulla, jotka sijoitetaan pitkin 450-metristä kiihdytinputkea.

msu kiihdytin

Kiihdyttimen 450 metriä pitkä putki kulkee 46:n magneettimoduuleilla varustetun kontin läpi. Suprajohtavat magneetit jäähdytetään nestemäisellä heliumilla –268 asteeseen.

© FRIB

Kun uraaniytimet ehtivät kiihdyttimen toiseen päähän, ne ohjataan suoraan hiililevyyn.

Törmäyksissä syntyy valtava määrä uusia atomiytimiä, muun muassa niitä eksoottisia isotooppeja, joita fyysikot tavoittelevat.

Magneettien sarja lajittelee sen jälkeen ei-toivotut ytimet pois, jotta tutkijoille jää juuri tutkittavaksi toivotusta isotoopista koostuva säde.

Yksi suurista kysymyksistä on se, miten raskaat atomit, kuten kulta, muodostuvat maailmankaikkeudessa.

Nykyään tähtitieteilijöiden paras ehdotus on se, että aineet muodostuvat, kun vähintään kahdeksan Auringon massainen tähti räjähtää supernovana tai kun kaksi neutronitähteä törmää toisiinsa.

Molemmissa tapauksissa syntyy neutronien ylijäämä. Esimerkiksi rauta-atomit saattavat siepata ne ja tietyssä määrin muodostaa niistä protoneja, jolloin syntyy raskaampia alkuaineita.

FRIB tarjoaa nyt fyysikoille entistä paremman mahdollisuuden jäljitellä prosessia Maassa.

Universumi yhteentörmäys neutronitähdet

Universumin raskaimmat alkuaineet ovat syntyneet äärimmäisissä olosuhteissa, esimerkiksi kahden neutronitähden yhteentörmäyksessä.

© Carnegie Institution for Science

Toinen – ja vielä kiperämpi – kysymys on se, miksi kaikkeudessa ylipäätään on ainetta.

Astrofyysikoiden mukaan alkuräjähdyksessä syntyi yhtä paljon ainetta ja antiainetta, joiden olisi pitänyt tuhota toisensa ja jättää jälkeensä vain säteilyä.

Isotooppi radium-225 päärynän muotoisine ytimineen voi ehkä paljastaa, käyttäytyvätkö ytimien varaukset hieman eri tavalla aineessa ja antiaineessa. Juuri tämä ero on mahdollisesti syy siihen, että jäljelle jäi pieni ylijäämä ainetta, josta kaikkeuden sumut, tähdet ja planeetat saattoivat muodostua.

Epävakaat atomit tuhoavat syöpää

Suurten kysymysten ratkaisun ohella kiihdytin tuottaa materiaalia käytännöllisempiin tarkoituksiin.

Esimerkki tästä on epävakaa radioaktiivinen isotooppi terbium-149. Sen hajotessa ytimestä vapautuu alfahiukkanen, joka koostuu runsasenergiaisista kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.

Terbium-149:n alfasäteily sopii täydellisesti syöpähoitona käytettävään hiukkasterapiaan. Se on sädehoidon muoto, joka osuu hyvin tarkasti syöpäkasvaimeen niin, että sitä ympäröivä terve kudos ei kärsi. Se on erityisen tärkeää silloin, kun kasvain on lähellä tärkeää ja haavoittuvaa elintä, esimerkiksi aivoja.

Hiukkassäteily isotooppi terbium-149

Syöpäkasvaimia säteilytetään muun muassa alfahiukkasilla, joita vapautuu isotooppi terbium-149:n hajotessa.

© Shutterstock

Syöpäpotilaille FRIB voi siten tuottaa eräänlaista elämän eliksiiriä, josta entisaikojen alkemistit haaveilivat.

Kultahaaveisiin FRIB voi vastata valmistamalla isotooppeja, jotka ovat äärimmäisen harvinaisia ja siten myös erittäin arvokkaita.

Hyvä esimerkki on kalifornium-252, jota käytetään muun muassa ydinreaktoreissa. Nykyään yksi gramma tätä ainetta maksaa 25,5 miljoonaa euroa – 470 000 kertaa niin paljon kuin kulta!