Ny accelerator bygger omöjliga atomer

En ny maskin ger fysikerna möjlighet att skapa tusentals atomer de aldrig tidigare har sett. Målet är både att ta reda på hur de kända grundämnena blev till, samt hur det kan finnas materia i universum överhuvudtaget.

En ny maskin ger fysikerna möjlighet att skapa tusentals atomer de aldrig tidigare har sett. Målet är både att ta reda på hur de kända grundämnena blev till, samt hur det kan finnas materia i universum överhuvudtaget.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Därför ska du läsa artikeln

Få insikt i hur partikelfysikerna skapar märkliga atomer i laboratoriet.
Förstå hur försöken kan lösa gåtan om varför universum inte är tomt.

I århundraden skramlade medeltidens alkemister runt med kolvar och smältdeglar i sina dunkla laboratorier – bland annat med den hemliga förhoppningen att skapa guld eller livsförlängande elixir. I dag har deras arvtagare tillgång till helt andra verktyg.

I enorma acceleratorer skiljer fysiker naturens grundämnen åt och bygger ihop dem till nya atomer – inte bara till guld, utan även till ämnen som aldrig tidigare har skådats och som kan vara värda mycket mer.

Partikelfysikernas senaste redskap är maskinen FRIB, som stod klar våren 2022 vid Michigan State University i USA. FRIB står för Facility for Rare Isotope Beams, och det är exakt vad det är: en anläggning för strålning av sällsynta isotoper – det vill säga speciella versioner av grundämnena.

Nya atomkärnor håller bara i några mikrosekunder.

De exotiska isotoperna är ofta så instabila att de faller sönder efter kort tid, ibland bara några mikrosekunder. Men eftersom FRIB är byggd för att skapa många av dem och isolera dem i en enda stråle är det möjligt för forskarna att mäta dem.

FRIB:s primära syfte är att lära oss mer om de regler som styr atomers uppbyggnad, vad som håller ihop dem och varför de försvinner igen. Därmed kan vi förhoppningsvis få svar på hur naturens tyngsta grundämnen har blivit till – och varför det överhuvudtaget finns atomer i universum.

acceleratorn FRIB

Ingenjörer har arbetat med att konstruera acceleratorn FRIB sedan 2014. Under våren 2022 stod den klar att utföra de första försöken.

© FRIB

Nya former förvånar forskarna

Isotoperna av ett grundämne skiljer sig från varandra genom antalet neutroner i atomkärnan. Där är neutronernas uppgift att motverka avstötningen mellan de positivt laddade protonerna och därmed hålla ihop kärnan.

Vanligtvis är neutronerna och protonerna i kärnan organiserade i en kulformad struktur med en svärm av negativa elektroner omkring sig – precis som vi är vana vid att titta på ritningar av atomer.

Men så enkelt är det inte alltid.

Det stod klart efter att en grupp japanska och amerikanska forskare 1985 närstuderade isotopen litium-11.

Denna variant har åtta neutroner i kärnan, det vill säga fyra fler än den vanligaste formen av litium-7. Men den stora överraskningen var att neutronerna var organiserade helt annorlunda: Två av dem svävade runt kärnan som små planeter.

Sedan upptäckten av litium-11:s bisarra atomkärna har fysikerna hittat flera andra kärnor som också avviker från det normala. Det gäller exempelvis kärnan i radium-225, som är asymmetrisk genom att vara päronformad i stället för klotrund.

Partikelfysiker har upptäckt att speciella versioner, så kallade isotoper, av grundämnen har atomkärnor som har helt annorlunda former.

© Shutterstock

1. Den välkända

Atomkärnor är oftast formade som en kompakt kula som består av protoner och neutroner. Det gäller exempelvis litium-7.

© Shutterstock

2. Den tvådelade

Isotopen litium-11 innehåller fyra extra neutroner. Men två av dem kretsar runt kärnan som små planeter.

© Shutterstock

3. Den oformliga

Isotopen radium-225 har inte en rund, utan en päronformad kärna, vilket gör dess laddning asymmetrisk.

Båda exemplen visar att fysikernas vanliga modell för atomers uppbyggnad är ofullkomlig och det är då FRIB på allvar kommer väl till pass.

Vi behöver en ny atommodell

genom att studera minst 1 000 och kanske upp till 3 000 kortlivade isotoper och deras form ska forskarna leverera tillräckliga data för att en gång för alla kunna utveckla en robust modell för hur partiklarna i atomerna påverkar varandra och organiserar sig.

Acceleratorn ska skapa de många isotoperna genom att tvinga upp kärnorna av uranatomer i en hastighet på 500 000 000 km/h. Det sker med hjälp av 46 magnetiska acceleratorrör.

msu accelerator

Acceleratorns 450 meter långa rör går genom 46 containrar med magnetmoduler. De superledande magneterna kyls ned till minus 268 grader Celsius med flytande helium.

© FRIB

När urankärnorna kommer ned i den andra änden av acceleratorn, styrs de direkt in i en skiva av kol.

Kollisionerna resulterar i myriader av nya atomkärnor, bland annat de exotiska isotoper som fysikerna är på jakt efter.

En serie magneter sorterar därefter bort de oönskade kärnorna, så att forskarna har kvar en stråle av exakt den isotop de vill studera närmare.

En av de stora frågorna, som undersökningarna ska klarlägga, är hur tunga atomer som guld bildas i världsrymden.

I dag är astronomernas bästa gissning att det sker när en stjärna minst åtta gånger tyngre än solen exploderar i en supernova, eller när två så kallade neutronstjärnor kolliderar.

I båda fallen uppstår det ett överskott av neutroner. Dem kan exempelvis järnatomer ta upp och i ett visst omfång omvandla till protoner, så att tyngre grundämnen skapas.

Med FRIB får fysikerna nu ännu bättre möjligheter att imitera processen på jorden.

Universum kollision neutronstjärnor

Universums tyngsta grundämnen har skapats under extrema förhållanden, exempelvis i kollisionen mellan två neutronstjärnor.

© Carnegie Institution for Science

En annan – och ännu större fråga – är varför det överhuvudtaget finns materia i universum.

Astrofysikerna tror att stora smällen bildade lika mycket materia och antimateria, som borde utplåna varandra och bara lämna kvar strålning.

Isotopen radium-225 med den päronformade kärnan kan kanske avslöja om det finns en mycket liten skillnad på hur kärnornas laddningar beter sig i materia och antimateria – en skillnad som möjligtvis kan vara orsak till att det blev ett litet överskott av materia, som universums nebulosor, stjärnor och planeter kunde bildas av.

Instabila atomer dödar cancer

Parallellt med utforskningen av de stora frågorna kommer acceleratorn att leverera material till mer praktiska ändamål.

Ett exempel är den radioaktiva isotopen terbium-149, som är instabil. När den sönderfaller skickar kärnan ut en så kallad alfapartikel, som består av två protoner och två neutroner med hög energi.

Alfastrålningen från terbium-149 är perfekt för partikelterapi mot cancer – det är en speciell typ av strålbehandling, som träffar cancertumören med hög precision, så att den friska vävnaden runt omkring inte tar skada. Det är speciellt viktigt när tumören ligger nära ett vitalt och sårbart organ, som exempelvis hjärnan.

Partikelstrålning isotopen terbium-149

Partikelstrålning mot cancertumörer sker bland annat med alfapartiklar, som frisätts när isotopen terbium-149 sönderfaller.

© Shutterstock

För cancerpatienter kan FRIB därmed leverera ett slags livselixir, som de gamla alkemisterna fantiserade om.

Och när det gäller drömmen om guld kan FRIB producera isotoper som är extremt sällsynta och därmed kanske också mycket värdefulla.

Ett bra exempel är californium-252, som bland annat används i kärnreaktorer. I dag kostar ett enda gram upp emot 190 miljoner kronor – det vill säga 470 000 gånger så mycket som guld!