稀有离子束设施为研究宇宙中重元素形成并提供核理论关键测试的实验打开了大门。

Tomasz Zajda 稀有离子束设施 (FRIB) 将生产任何现有设施中最广泛的稀有同位素。

核物理界正在欢呼一个期待已久的放射性同位素束生产设施的启动，一群用户正在为第一次实验做准备。密歇根州立大学的稀有离子束设施 (FRIB) 本周向实验者敞开大门。FRIB 预计将提供任何现有设施中最广泛的稀有同位素，包括许多以前从未合成过的同位素。该设施还将允许研究人员控制同位素束的能量，使其与恒星和超新星核过程相关的能量相匹配。

稀有同位素因其稀缺性而得名——这些不稳定的原子核会放射性衰变，因此无法在地球上自然找到。但是在实验室中制造大量这些元素将使科学家能够解决物理学中重要的开放性问题。例如，当前的核理论无法描述许多原子核，而稀有同位素提供了极端案例来检验这些理论为何失败。稀有同位素也与重元素的宇宙核合成有关，这一过程还没有令人满意的解释。在应用方面，放射性同位素可用于医学成像、癌症治疗和其他工业应用。

鉴于这些动机，物理学家几十年来一直在推动建立稀有离子设施。2008 年，美国能源部和密歇根州立大学为 FRIB 项目提供资金，并于 2014 年开工建设。尽管面临 COVID 大流行的挑战，但在今年年初完成了建设，比计划提前了几个月，FRIB 的科学说导演布拉德利·谢里尔。

FRIB 依靠强大的线性加速器，将离子加速到光速的一半左右，然后将它们撞击到更重的原子核目标上。在那里，离子与其他原子核发生反应，产生大量不同的同位素。使用“碎片分离器”，研究人员可以过滤出所需的同位素并将它们输送到“停止站”，在那里快速光束在气体中减速。这种降低的速度允许使用高精度技术(例如激光光谱)探测同位素。然后可以将停止的同位素重新加速并以所需的能量输送到其他实验室。

Sherrill 说，两个关键方面使 FRIB 成为一个独特的设施。首先是超导直线加速器，它可以达到任何重离子加速器设施中最高的束流功率。该机器的效率通过加速给定元素(例如铀)的多达五个电离状态的能力而得到提高。(其他加速器通常设计为仅加速具有特定电荷的离子。)第二个方面是再加速阶段，其中可以精确设置产生的同位素的速度。“同位素可能以光速的一半或三分之二产生，但我们实际上希望将它们减慢到与天体物理学相关的能量，”他说。

FRIB显示稳定同位素(黑色)、先前检测到的同位素(绿色)、理论上预测的同位素(黄色)和 FRIB 可能产生的同位素(蓝色)的核素图。

Sherrill 说，FRIB 的光束功率将“让我们最深入地了解最稀有的同位素”。FRIB 预计将产生数百种前所未有的同位素，其中一些特别受到科学家的重视。“开发 FRIB 科学案例的过程确定了同位素的某些关键区域，我们努力提供对这些特定同位素的访问，”Sherill 说。这些区域包括处于核稳定性极限的同位素，例如靠近中子“滴水线”的同位素，以及与宇宙中重元素形成相关的同位素。

在核素图中，中子滴线标记了给定元素的结合同位素和未结合同位素之间的边界。如果在滴线处将更多的中子添加到原子核中，它们就会从原子核中泄漏或滴落。今天，这个边界仅以十种最轻的元素而闻名，直到氖，但 FRIB 提供富含中子的同位素的能力应该允许研究人员将滴线延伸到数十种较重的元素。FRIB 项目咨询委员会主席、核物理学家 Ani Aprahamian 说：“这将把我们带到几十年来我们提出问题但没有得到答案的地方。” 她希望了解这些极端情况将使研究人员能够开发出一种统一的核理论，该理论适用于所有条纹和颜色的原子核。

虽然在地球上没有发现处于稳定性极限的同位素，但它们与恒星和超新星中重元素的产生有关。许多这些元素被认为是由所谓的r过程产生的，该过程涉及快速的中子捕获反应。r的详细信息-过程知之甚少，部分原因是在宇宙中发现的相同条件下进行实验的挑战。田纳西州橡树岭国家实验室的核天体物理学家凯利奇普斯说，FRIB 将提供前所未有的能力来模拟天体物理场景，方法是制造恒星环境中可能存在的大部分同位素，并将它们加速到相关能量。她说，FRIB 的一个独特之处在于它可以产生不同的同位素异构体——相同同位素在不同能量状态下的版本。大多数型号的r过程假设异构体没有影响，但“没有任何充分的理由相信这种情况，”凯利说。她说，精细控制这些和其他细节的能力使 FRIB “有可能对我们对核天体物理学的理解产生巨大影响”。

Sherrill 说，FRIB 将实现的研究与引力波探测和观测天文学的最新发展之间存在重要的协同作用。LIGO 和 Virgo 于 2017 年探测到中子星合并，伴随着整个电磁光谱的辐射发射，提供了在此类合并中可以产生重元素的证据(见观点：中子星合并所见和所闻)。FRIB 将提供大量数据，帮助研究人员分析合并光谱，以提取这些元素的锻造过程的细节。通过将多信使天文学与核物理学的限制相结合，研究人员可能能够弄清楚“中子星合并内部发生的事情的本质，”奇普斯说。