Ny accelerator bygger umulige atomer

En ny maskine giver fysikerne mulighed for at skabe tusindvis af atomer, de aldrig har set før. Målet er både at finde ud af, hvordan de kendte grundstoffer blev til, og hvordan der overhovedet kan være stof i universet.

En ny maskine giver fysikerne mulighed for at skabe tusindvis af atomer, de aldrig har set før. Målet er både at finde ud af, hvordan de kendte grundstoffer blev til, og hvordan der overhovedet kan være stof i universet.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Derfor skal du læse artiklen

Få indsigt i, hvordan partikelfysikerne skaber mærkværdige atomer i laboratoriet.
Forstå, hvordan forsøgene kan løse gåden om, hvorfor universet ikke er tomt.

I århundreder skramlede middelalderens alkymister rundt med kolber og smeltedigler i deres dunkle laboratorier – bl.a. i det lønlige håb at skabe guld eller livsforlængende eliksirer. I dag har deres efterfølgere helt andre værktøjer til rådighed.

I gigantiske acceleratorer splitter fysikere naturens grundstoffer ad og bygger dem sammen til nye atomer – ikke bare til guld, men også til stoffer, der aldrig er set før, og som kan være langt mere værd.

Partikelfysikernes nyeste redskab er maskinen FRIB, som stod færdig i foråret 2022 ved Michigan State University i USA. FRIB står for Facility for Rare Isotope Beams, og det er præcis det, den er: et anlæg for stråling af sjældne isotoper – dvs. særlige udgaver af grundstofferne.

Nye atomkerner holder kun i få mikrosekunder.

De eksotiske isotoper er ofte så ustabile, at de går i stykker efter ganske kort tid, helt ned til få mikrosekunder. Men fordi FRIB er designet til at skabe mange af dem og isolere dem i én stråle, er det muligt for forskerne at foretage målinger på dem.

FRIB’s primære formål er at gøre os klogere på de regler, som styrer atomers opbygning, hvad der holder dem sammen, og hvorfor de forsvinder igen. Dermed kan vi forhåbentlig få svar på, hvordan naturens tungeste grundstoffer er blevet til – og hvorfor der overhovedet findes atomer i universet.

acceleratoren FRIB

Siden 2014 har ingeniører arbejdet med at konstruere acceleratoren FRIB. I foråret 2022 stod den klar til at gennemføre de første forsøg.

© FRIB

Nye former forbløffer forskerne

Isotoperne af et grundstof adskiller sig fra hinanden ved antallet af neutroner i atomkernen. Her er neutronernes opgave at modvirke frastødningen mellem de positivt ladede protoner og dermed holde sammen på kernen.

Normalt er neutronerne og protonerne i kernen organiseret i en kugleformet struktur med en sværm af negative elektroner omkring sig – præcis som vi er vant til at se på tegninger af atomer.

Men så enkelt er det ikke altid.

Det stod især klart, efter at et hold af japanske og amerikanske forskere i 1985 nærstuderede isotopen litium-11.

Denne variant har otte neutroner i kernen, dvs. fire flere end den almindeligste form litium-7. Men den store overraskelse var, at neutronerne var organiseret helt anderledes: To af dem svævede rundt om kernen som små planeter.

Siden opdagelsen af litium-11’s bizarre atomkerne har fysikerne fundet flere andre kerner, som også afviger fra det normale. Det gælder fx kernen i radium-225, som er asymmetrisk ved at være pæreformet i stedet for kuglerund.

Partikelfysikere har opdaget, at specielle udgaver, såkaldte isotoper, af grundstoffer har atomkerner, som er formet anderledes end normalt.

© Shutterstock

1. Den velkendte

Atomkerner er oftest formet som en kompakt kugle, der består af protoner og neutroner. Det gælder fx for litium-7.

© Shutterstock

2. Den todelte

Isotopen litium-11 indeholder fire ekstra neutroner. Men to af dem kredser som små planeter omkring den øvrige kerne.

© Shutterstock

3. Den uformelige

Isotopen radium-225 har ikke en rund, men en pære­formet kerne, hvilket gør dens ladning asymmetrisk.

Begge eksempler viser, at fysikernes gængse model for atomers opbygning er ufuldkommen, og det er her, FRIB for alvor har en opgave at løse.

Vi har brug for en ny atommodel

Ved at studere mindst 1000 og måske op til 3000 kortlivede isotoper og deres form skal forskerne levere tilstrækkelige data til, at de én gang for alle kan udvikle en robust model for, hvordan partiklerne i atomerne påvirker hinanden og organiserer sig.

Acceleratoren skal skabe de mange isotoper ved at tvinge kernerne af uran­atomer op til en hastighed på 500.000.000 km/t. Det sker ved hjælp af 46 magnetiske moduler, som er placeret langs det 450 meter lange acceleratorrør.

msu accelerator

Acceleratorens 450 meter lange rør løber gennem 46 containere med magnetmoduler. De superledende magneter køles ned til minus 268 °C med flydende helium.

© FRIB

Når urankernerne når ned i den anden ende af acceleratoren, styres de direkte ind i en plade af kulstof.

Kollisionerne resulterer i myriader af nye atomkerner, heriblandt de eksotiske isotoper, fysikerne er på jagt efter.

En serie magneter sorterer herefter de uønskede kerner fra, så forskerne står tilbage med en stråle af præcis den isotop, de ønsker at studere.

Et af de store spørgsmål, som undersøgelserne skal afklare, er, hvordan tunge atomer som guld dannes i verdensrummet.

I dag er astronomernes bedste gæt, at det sker, når en stjerne mindst otte gange tungere end Solen eksploderer i en supernova, eller når to såkaldte neutronstjerner støder sammen.

I begge tilfælde opstår der et overskud af neutroner. Dem kan fx jernatomer optage og i et vist omfang omdanne til protoner, så tungere grundstoffer bliver skabt.

Med FRIB får fysikerne nu endnu bedre muligheder for at efterligne processen på Jorden.

Universet Sammenstød neutronstjerner

Universets tungeste grundstoffer er skabt under ekstreme forhold, fx i sammenstødet mellem to neutronstjerner.

© Carnegie Institution for Science

Et andet – og endnu større spørgsmål – er, hvorfor der overhovedet findes stof i universet.

Astrofysikerne mener, at big bang dannede lige meget stof og antistof, som burde udrydde hinanden og kun efterlade stråling.

Isotopen radium-225 med den pæreformede kerne kan måske afsløre, om der findes en ganske lille forskel på, hvordan kernernes ladninger opfører sig i stof og antistof – en forskel, som muligvis kan være årsag til, at der blev en smule stof i overskud, som universets tåger, stjerner og planeter kunne dannes af.

Ustabile atomer dræber kræft

Sideløbende med udforskningen af de store spørgsmål vil acceleratoren levere materialer til mere praktiske formål.

Det gælder fx den radioaktive isotop terbium-149, som er ustabil. Når den henfalder, dvs. går i stykker, udsender kernen en såkaldt alfapartikel, som består af to protoner og to neutroner med høj energi.

Alfastrålingen fra terbium-149 er perfekt til partikelterapi mod kræft – en særlig type strålebehandling, som rammer kræftknuden meget præcist, så det raske væv udenom ikke lider overlast. Det er især vigtigt, når knuden ligger tæt ved et vitalt og sårbart organ, fx hjernen.

Partikelstråling isotopen terbium-149

Partikelstråling mod kræftsvulster foregår bl.a. med alfapartikler, som frigives, når isotopen terbium-149 henfalder.

© Shutterstock

For kræftpatienter kan FRIB dermed levere en slags livseliksir, som de gamle alkymister fantaserede om.

Og når det gælder drømmen om guld, kan FRIB producere isotoper, som er ekstremt sjældne og derfor også meget værdifulde.

Et godt eksempel er californium-252, som bl.a. bruges i atomreaktorer. I dag koster et enkelt gram op mod 190 millioner kroner – dvs. 470.000 gange så meget som guld!