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美启用新加速器探索元素起源

发布者:点击量:发布时间:2022-05-04

作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/4 21:07:39
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美启用新加速器探索元素起源

 

FRIB的线性加速器由46个低温模组组成,这些模组在绝对零度以上几度的温度下工作,可以加速离子束。图片来源:FRIB

核物理学家的一个最大愿望终于实现。据《自然》报道,经过几十年的等待,一部耗资9.42亿美元的加速器于5月2日在美国正式投入使用。相关实验将描绘原子核景观的未探索区域,并揭示恒星和超新星爆发如何创造宇宙中的大多数元素。

这一名为稀有同位素束流设施(FRIB)的加速器位于密歇根州立大学,于2014年开始建造,并于去年年底完工,其预算大部分由美国能源部资助。它取代了位于同一地点的美国国家科学基金会加速器,即国家超导回旋加速器实验室(NSCL)。

圣母大学实验核物理学家Ani Aprahamian表示,该项目实现了整个核物理界的梦想。田纳西大学研究核物理的Kate Jones则对此表示同意,“这是我们期待已久的设施”。

几十年来,核物理学家一直在推动建立一个能够比NSCL和全球类似加速器产生稀有同位素速度快几个数量级的设施。20世纪80年代末,科学家首次提出了该加速器的建议,并在90年代达成共识。理论核物理学家、FRIB首席科学家Witold Nazarewicz说:“核物理界的人士坚持认为,我们需要这样的工具。”

所有FRIB实验都将在地下开展。一种特定元素(通常是铀)的原子将被电离,并被送入一个450米长的加速器,加速器会像回形针一样弯曲,以适应150米长的大厅。在管道末端,离子束将撞击一个石墨轮,石墨轮不断旋转,以避免任何特定的位置过热。大多数原子核会穿过石墨,但有一部分会与其碳原子核碰撞。这导致铀原子核分裂成更小的质子和中子组合,而每一个原子核都代表着不同的元素和同位素。

随后,由各种原子核组成的光束将被引导至地面的“碎片分离器”。分离器由一系列磁铁组成,后者会使每个原子核向右偏转,而每个原子核的角度取决于其质量和电荷。通过微调,FRIB能够为每个特定实验产生完全由一种同位素组成的光束。

最后,所需同位素可通过束流管到达实验大厅。FRIB科学总监、核物理学家Bradley Sherrill表示,就最稀有的同位素而言,生产率可能低至每周一个原子核,但FRIB将能够产生和研究几乎每一种原子核。

FRIB的一个独特之处是它有第二个加速器,可以接收稀有同位素并将其撞击到固定目标上,以模拟恒星或超新星内部发生的高能碰撞。

 

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