Laboratorium baru AS membuat salinan atom yang belum pernah terekam di Bumi | Fisika partikel

Dari karbon hingga uranium, dan dari oksigen hingga besi, unsur-unsur kimia adalah bahan penyusun dunia di sekitar kita dan alam semesta yang lebih luas. Sekarang, fisikawan berharap dapat melihat sekilas asal-usul mereka yang belum pernah terjadi sebelumnya, dengan pembukaan fasilitas baru yang akan menciptakan ribuan versi atom yang aneh dan tidak stabil yang belum pernah tercatat di Bumi.

Dengan mempelajari versi ini, yang dikenal sebagai isotop, mereka berharap mendapatkan wawasan baru tentang interaksi yang tercipta Elemen di dalam supernova, serta menguji teori tentang “gaya kuat” – salah satu dari empat gaya fundamental di alam, yang mengikat proton dan neutron bersama-sama dalam inti atom. Fasilitas ini juga dapat menghasilkan analog baru untuk penggunaan medis.

Atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Jumlah proton menentukan perilaku kimia suatu atom dan unsur mana itu – misalnya karbon selalu memiliki enam proton, emas 79 – sedangkan atom dari unsur yang sama dengan jumlah neutron yang berbeda disebut isotop.

Karena banyak isotop tidak stabil dan meluruh dengan cepat—kadang-kadang dalam milidetik—para ilmuwan hanya mempelajari sebagian kecil dari isotop yang dianggap ada.

“Ada 285 isotop unsur yang ditemukan di Bumi, tapi kami pikir kemungkinan ada 10.000 isotop unsur bahkan uranium,” kata Profesor Bradley Sherrill, direktur ilmiah Fasilitas Sinar Isotop Langka (FRIB) di Michigan State. Universitas secara resmi dibuka pada 2 Mei. “Tujuan FRIB adalah untuk menyediakan akses sebanyak mungkin ke lanskap yang luas ini dari rekan-rekan lain yang dimungkinkan oleh teknologi.”

Beberapa dari “isotop langka” ini dapat menyebabkan reaksi penting untuk pembentukan unsur-unsur, jadi dengan mempelajarinya, fisikawan berharap untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang sejarah kimia alam semesta – termasuk bagaimana kita sampai di sini.

Sebagian besar elemen diperkirakan berasal dari dalam supernova, tetapi “dalam banyak kasus kita tidak tahu bintang mana yang menciptakan elemen mana, karena interaksi ini melibatkan isotop yang tidak stabil – hal-hal yang tidak dapat kita peroleh dengan mudah,” kata Profesor Gavin Lotay, fisikawan nuklir Universitas Surrey, yang berencana menggunakan fasilitas baru untuk menyelidiki ledakan umum yang disebut ledakan sinar-X di dalam bintang neutron.

Tujuan lain adalah untuk memahami inti atom dengan cukup baik untuk mengembangkan model yang komprehensif dari mereka, yang dapat memberikan wawasan baru tentang peran yang mereka mainkan dalam pembangkitan energi untuk bintang, atau reaksi yang terjadi di dalam pembangkit listrik tenaga nuklir.

Fasilitas ini juga dapat menghasilkan analog yang berguna secara medis. Dokter sudah menggunakan radioisotop dalam pemeriksaan hewan peliharaan dan beberapa jenis radioterapi, tetapi menemukan lebih banyak isotop dapat membantu meningkatkan pencitraan diagnostik atau menyediakan cara baru untuk menemukan dan menghancurkan tumor.

Untuk menghasilkan isotop ini, FRIB akan mempercepat seberkas inti atom hingga setengah kecepatan cahaya dan mengirimkannya ke dalam tabung 450 meter, sebelum menghancurkannya menjadi target yang memecah beberapa atom menjadi kelompok proton dan neutron yang lebih kecil. Serangkaian magnet kemudian akan menyaring isotop yang diinginkan dan mengarahkannya ke ruang eksperimental untuk studi lebih lanjut.

“Dalam sepersejuta detik, kita dapat memilih isotop tertentu dan mengirimkannya ke eksperimen di mana— [scientists] “Kami mungkin menangkapnya dan melihat peluruhan radioaktifnya, atau kami mungkin menggunakannya untuk menginduksi reaksi nuklir lain dan menggunakan produk reaksi itu untuk memberi tahu kami sesuatu tentang struktur isotop,” kata Sherrill.

Eksperimen pertama akan melibatkan pembuatan isotop terberat dari fluor, aluminium, magnesium dan neon, dan membandingkan tingkat peluruhan radioaktif dengan yang diprediksi oleh model saat ini. “Akan mengejutkan jika pengamatan kami konsisten dengan apa yang kami harapkan,” kata Cheryl. “Mereka mungkin tidak akan setuju, dan kemudian kami akan menggunakan ketidaksepakatan itu untuk meningkatkan model kami.”

Sekitar sebulan kemudian, peneliti FRIB berencana untuk mengukur peluruhan radioaktif dari isotop yang diyakini ada di dalam bintang neutron – beberapa objek terpadat di alam semesta, yang terbentuk ketika sebuah bintang masif kehabisan bahan bakar dan runtuh – untuk lebih memahami perilaku mereka.

“Akhirnya, kami memiliki alat untuk memungkinkan orang melakukan penelitian yang telah mereka tunggu selama 30 tahun,” kata Cheryl. “Ini seperti memiliki teleskop baru yang lebih besar yang dapat melihat ke alam semesta lebih dari sebelumnya – hanya saja kita akan melihat lebih jauh ke lanskap nuklir daripada yang dapat kita lihat sebelumnya. Kapan pun Anda memiliki instrumen baru seperti itu, ada potensi untuk penemuan.”