强大的直线加速器开始粉碎原子

离我们坐的地方只有几百英尺，是一个没有空气的大金属室，上面挂满了控制里面的仪器所需的电线。一束粒子以大约一半的光速静静地穿过室的内部，直到它撞上一块固体材料，导致稀有同位素的爆发。

这一切都发生在稀有同位素光束设施，或称FRIB，该设施由密歇根州立大学为美国能源部科学办公室运营。从2022年5月开始，国内和国际科学家团队聚集在密歇根州立大学，开始在FRIB进行科学实验，目的是创造、分离和研究新同位素。这些实验承诺提供对宇宙基本性质的新见解。

我们是研究稀有同位素的核化学和核物理学的两位教授。从某种意义上说，同位素是一种元素的不同口味，其原子核中的质子数相同，但中子数不同。

FRIB的加速器开始以低功率工作，但当它完成提升到全功率时，它将成为地球上最强大的重离子加速器。通过加速重离子--带电的元素原子--FRIB将使像我们这样的科学家能够创造和研究成千上万种从未见过的同位素。一个由来自世界各地的大约1600名核科学家组成的团体已经等待了十年，以开始进行由新粒子加速器促成的科学工作。

FRIB的首批实验已于2022年夏天完成。尽管该设施目前仅以其全部功率的一小部分运行，但在FRIB工作的多个科学合作机构已经生产并探测到约100种稀有同位素。这些早期成果正在帮助研究人员了解宇宙中一些最稀有的物理学。

什么是稀有同位素?

生产大多数同位素需要难以置信的高能量。在自然界中，重的稀有同位素是在被称为超新星的大质量恒星的灾难性死亡中或在两颗中子星的合并中产生的。

稀有同位素具有放射性，随着时间的推移，它们会释放出辐射--在这里可以看到来自中心的一小块铀的条纹。

对肉眼来说，任何元素的两种同位素看起来和表现都是一样的--所有汞元素的同位素看起来就像老式温度计中使用的液体金属。然而，由于同一元素的同位素的原子核具有不同数量的中子，它们在寿命长短、发出何种类型的放射性以及其他许多方面都有所不同。

例如，一些同位素是稳定的，不会衰变或发出辐射，所以它们在宇宙中很常见。其他同位素的同位素可以是放射性的，所以它们在变成其他元素时不可避免地会衰变消失。由于放射性同位素会随着时间的推移而消失，所以它们相对来说更稀少。

不过，并非所有的衰变都以同样的速度发生。一些放射性元素--如钾-40--通过衰变释放出的粒子速度非常低，以至于少量的同位素可以持续数十亿年之久。其他更高的放射性同位素，如镁-38，在衰变成其他元素之前只存在几分之一秒。根据定义，短命的同位素不会存活很久，在宇宙中很罕见。因此，如果你想研究它们，你必须自己制造它们。

在实验室中创造同位素

虽然只有大约250种同位素在地球上自然出现，但理论模型预测，自然界中应该存在大约7000种同位素。科学家们已经使用粒子加速器生产了大约3000种这些稀有同位素。

FRIB加速器长1,600英尺，由三个部分组成，折叠后大致为回形针的形状。在这些部分内有许多极冷的真空室，利用强大的电磁脉冲交替地拉动和推动离子。FRIB可以将任何自然发生的同位素--无论它是像氧气一样轻还是像铀一样重--加速到大约一半的光速。

为了制造放射性同位素，你只需要将这束离子砸向一个固体目标，如一块金属铍或一个旋转的碳盘。

稀有同位素光束设施旨在让研究人员创造稀有同位素，并在其衰变前对其进行测量。信用：稀有同位素光束设施，CCBY-ND

离子束对碎裂目标的冲击使稳定同位素的原子核破裂，并同时产生数百种稀有同位素。为了将有趣的或新的同位素从其他同位素中分离出来，一个分离器坐在目标和传感器之间。具有适当动量和电荷的粒子将通过分离器，而其余的粒子则被吸收。只有一部分所需的同位素会到达为观察粒子的性质而建造的许多仪器。

在一次碰撞中产生任何特定同位素的概率可能非常小。创造一些较罕见的异国同位素的几率可能是四亿分之一，与连续赢得百万大奖的几率大致相同。但是FRIB使用的强大的离子束包含如此多的离子，并在一次实验中产生如此多的碰撞，以至于该团队可以合理地期望找到甚至是最稀有的同位素。根据计算，FRIB的加速器应该能够产生大约80%的所有理论上的同位素。

FRIB的前两项科学实验

由劳伦斯伯克利国家实验室、橡树岭国家实验室(ORNL)、田纳西大学诺克斯维尔分校(UTK)、密西西比州立大学和佛罗里达州立大学的研究人员领导的一个多机构小组，与MSU的研究人员一起，于2022年5月9日开始在FRIB运行第一个实验。该小组以1千瓦的功率将一束钙-48--带有48个中子而不是通常的20个中子的钙核射入铍靶。即使是该设施400千瓦最大功率的四分之一，也有大约40种不同的同位素通过分离器进入仪器。

FDSi设备记录了每个离子到达的时间，它是什么同位素以及它何时衰变。利用这些信息，该合作项目推断出了同位素的半衰期;该团队已经报告了五个以前未知的半衰期。

第二次FRIB实验于2022年6月15日开始，由来自劳伦斯-利弗莫尔国家实验室、ORNL、UTK和MSU的研究人员合作领导。该设施加速了一束硒-82，并利用它来生产元素钪、钙和钾的稀有同位素。这些同位素通常在中子星中发现，实验的目的是为了更好地了解这些同位素在衰变时释放出何种类型的放射性。了解这一过程可以阐明中子星如何失去能量。

前两个FRIB实验只是这个新设施能力的冰山一角。在未来几年里，FRIB将探索核物理学的四个大问题。首先，质子和中子数量相差很大的原子核的特性是什么?第二，宇宙中的元素是如何形成的?第三，物理学家是否了解宇宙的基本对称性，比如为什么宇宙中的物质多于反物质?最后，来自稀有同位素的信息如何应用于医学、工业和国家安全?