บาคาร่า เครื่องเร่งอนุภาคใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อไขความลับของนิวเคลียสอะตอมที่แปลกประหลาด

บาคาร่า สิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับคานไอโซโทปที่หายากจะช่วยให้นักฟิสิกส์เรียนรู้ว่าองค์ประกอบก่อตัวอย่างไรในสภาพแวดล้อมที่ห่างไกลของอวกาศสลักบนแขนเสื้อของครอบครัวชาวอิตาลีในศตวรรษที่ 15 และตกแต่งศาลเจ้าญี่ปุ่นโบราณ แหวน Borromean เป็นสัญลักษณ์ของศักยภาพ นำวงแหวนหนึ่งวงออกจากวงกลมสามวงที่เชื่อมโยงกัน และอีกสองวงแยกออกจากกัน เมื่อทั้งสามถูกโอบเข้าด้วยกันเท่านั้นที่โครงสร้างจะยึดไว้ วงแหวนเป็นตัวแทนของแนวคิดเรื่องความสามัคคี พระตรีเอกภาพคริสเตียน และแม้แต่นิวเคลียสของอะตอมที่แปลกใหม่บางอย่าง

ลิเธียมชนิดพันธุ์หายากหรือไอโซโทปมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยสามส่วนที่เชื่อมต่อกัน 

นิวเคลียสของลิเธียม-11 ถูกแยกออกเป็นกระจุกหลักของโปรตอนและนิวตรอนที่ขนาบข้างด้วยนิวตรอนสองตัว ซึ่งสร้างรัศมีรอบแกนกลาง ถอดชิ้นใดชิ้นหนึ่งออกและทั้งสามก็แยกย้ายกันไปเหมือนกับวงแหวนของ Borromean

ไม่เพียงเท่านั้น นิวเคลียสของลิเธียม-11 ยังมีขนาดมหึมา ด้วยรัศมีที่กว้างของมัน มันมีขนาดเท่ากับนิวเคลียสของตะกั่ว แม้ว่าจะมีโปรตอนและนิวตรอนน้อยกว่า 200 ตัวก็ตาม การค้นพบรัศมีที่กว้างใหญ่ของลิเธียม-11ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 ทำให้นักวิทยาศาสตร์ตกใจ ( SN: 8/20/88, หน้า 124 ) เช่นเดียวกับธรรมชาติของบอร์โรเมียน นักทฤษฎีนิวเคลียร์ Filomena Nunes จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกนในอีสต์แลนซิงกล่าวว่า “ไม่มีการทำนายถึงสิ่งนี้” “นี่เป็นหนึ่งในการค้นพบที่เป็นเหมือน ‘อะไรนะ? เกิดอะไรขึ้น?’ ”

ลิเธียม-11 เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสประหลาด Nunes กล่าวว่านิวเคลียสดังกล่าว “มีคุณสมบัติที่เหลือเชื่อ” พวกเขาสามารถบิดเบี้ยวเป็นรูปร่างที่ผิดปกติได้ เช่น ลูกแพร์ ( SN: 6/15/13, p. 14 ) หรืออาจปลอกเปลือกนิวตรอนเหมือนเปลือกผลไม้นิวเคลียร์ที่กินไม่ได้ ( SN: 6/5/21, p. 5 )

เครื่องมือใหม่นี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ดึงผลไม้แปลก ๆ เหล่านี้ออกจากเถาวัลย์ปรมาณูได้ในไม่ช้า นักวิจัยกำลังเข้าคิวเพื่อใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่รัฐมิชิแกนเพื่อศึกษานิวเคลียสของอะตอมที่หายากที่สุดบางส่วน เมื่อเปิดให้บริการในต้นปี พ.ศ. 2565 Facility for Rare Isotope Beamsหรือ FRIB (ออกเสียงว่า “eff-rib”) จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมเพื่อสร้างไอออน เร่งความเร็วพวกมันด้วยความเร็วสูงแล้วส่งพุ่งชนเป้าหมายไปยัง สร้างนิวเคลียสพิเศษที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการศึกษา

การทดลองที่ FRIB จะตรวจสอบขีดจำกัดของนิวเคลียส ตรวจสอบจำนวนนิวตรอนที่สามารถอัดเข้าไปในนิวเคลียสที่กำหนด และศึกษาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อนิวเคลียสหลงทางไกลจากโครงร่างที่เสถียรซึ่งพบได้ในชีวิตประจำวัน ด้วยข้อมูล FRIB นักวิทยาศาสตร์ตั้งเป้าที่จะรวบรวมทฤษฎีที่อธิบายคุณสมบัติของนิวเคลียสทั้งหมด แม้แต่ลูกคี่ เป้าหมายหลักอีกประการหนึ่ง: ตรึงเรื่องราวต้นกำเนิดสำหรับองค์ประกอบทางเคมีที่เกิดในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของอวกาศ

และถ้านักวิทยาศาสตร์โชคดี ปริศนานิวเคลียร์ที่น่าเหลือเชื่อใหม่ ที่อาจแปลกกว่าลิเธียม-11 ก็จะปรากฏขึ้น “เรากำลังจะมีรูปลักษณ์ใหม่ในดินแดนที่ยังไม่ได้สำรวจ” แบรด เชอร์ริล นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ ผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์ของ FRIB กล่าว “เราคิดว่าเรารู้ว่าจะเจออะไร แต่ก็ไม่น่าเป็นไปได้ที่สิ่งต่าง ๆ จะเป็นอย่างที่เราคาดไว้”

สำรวจความไม่เสถียร

นิวเคลียสของอะตอมมีหลายพันธุ์ที่น่าเวียนหัว นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบองค์ประกอบทางเคมี 118 ชนิดโดยจำแนกตามจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของพวกมัน ( SN: 1/19/19, p. 18 ) ธาตุเหล่านี้แต่ละธาตุมีไอโซโทปที่หลากหลาย ซึ่งเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันขององค์ประกอบที่เกิดขึ้นจากการเพิ่มจำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียส นักวิทยาศาสตร์ได้ทำนายการมีอยู่ของไอโซโทปประมาณ 8,000 ไอโซโทปของธาตุที่รู้จัก แต่มีประมาณ 3,300 เท่านั้นที่ปรากฏในเครื่องตรวจจับ นักวิจัยคาดว่า FRIB จะทำให้เกิดรอยบุ๋มขนาดใหญ่ในไอโซโทปที่หายไป มันสามารถระบุไอโซโทปที่เป็นไปได้ 80 เปอร์เซ็นต์สำหรับองค์ประกอบทั้งหมดผ่านยูเรเนียมรวมถึงจำนวนมากที่ไม่เคยเห็นมาก่อน

นิวเคลียสที่คุ้นเคยมากที่สุดคือไอโซโทปประมาณ 250 ไอโซโทปที่มีความเสถียร โดยจะไม่สลายตัวเป็นอะตอมประเภทอื่น อันดับของไอโซโทปที่เสถียร ได้แก่ ไนโตรเจน-14 และออกซิเจน-16 ในอากาศที่เราหายใจ และคาร์บอน-12 ที่พบในสิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมด ตัวเลขที่อยู่หลังชื่อธาตุแสดงถึงจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส

นิวเคลียสที่เสถียรมีโปรตอนและนิวตรอนผสมกันอย่างเหมาะสม นิวตรอนมากเกินไปหรือน้อยเกินไปทำให้นิวเคลียสสลายตัวบางครั้งช้ากว่าพันล้านปี หรือบางครั้งใช้เวลาเพียงเศษเสี้ยววินาที ( SN: 3/2/19, p. 32 ) เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งที่เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสที่ไม่เสถียรเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จึงศึกษาพวกมันก่อนที่จะสลายตัว โดยทั่วไป เมื่อความสมดุลของโปรตอน-นิวตรอนมีมากขึ้นเรื่อยๆ นิวเคลียสก็จะอยู่ไกลขึ้นจากความเสถียร และคุณสมบัติของมันมักจะแปลกไป

ตัวอย่างที่แปลกใหม่ดังกล่าวทดสอบขีดจำกัดของทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอม แม้ว่าทฤษฎีที่กำหนดอาจอธิบายนิวเคลียสที่ใกล้จะเสถียรได้อย่างถูกต้อง แต่ก็อาจล้มเหลวสำหรับนิวเคลียสที่ผิดปกติมากกว่า แต่นักฟิสิกส์ต้องการทฤษฎีที่สามารถอธิบายสิ่งที่ผิดปกติที่สุดให้เป็นเรื่องธรรมดาที่สุดได้

“เราต้องการทำความเข้าใจว่านิวเคลียสของอะตอมถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร มันทำงานอย่างไร” วิโทลด์ นาซารีวิซ นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ตามทฤษฎี หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ FRIB กล่าว บาคาร่า