Eeuwenlang rommelden de middeleeuwse alchemisten met kolven en smeltkroezen in hun donkere laboratoria – onder meer in de hoop goud of levenselixers te kunnen maken. Hun opvolgers hebben vandaag de dag andere middelen ter beschikking.
In hun enorme versnellers splitsen natuurkundigen elementen en bouwen ze er nieuwe atomen van – niet alleen goud, maar ook onbekende stoffen die veel meer waard zouden kunnen zijn.
Het nieuwste instrument van deeltjesfysici is de machine FRIB, die de Michigan State University in de VS in het voorjaar van 2022 voltooid heeft. FRIB staat voor Facility for Rare Isotope Beams, en dat is precies wat het is: een installatie voor de straling van zeldzame isotopen – speciale varianten van de elementen.
Nieuwe atoomkernen blijven microseconden bestaan.
De exotische isotopen zijn vaak zo instabiel dat ze al na enkele microseconden uiteenvallen. Maar omdat de FRIB veel isotopen kan maken en ze in één bundel isoleert, kunnen wetenschappers er toch metingen aan verrichten.
Het belangrijkste doel van de FRIB is ons te helpen begrijpen welke regels de structuur van atomen bepalen, wat ze bijeenhoudt en waarom ze weer verdwijnen. Zo hopen de onderzoekers te weten te komen hoe de zwaarste elementen in de natuur zijn ontstaan – en waarom er überhaupt atomen in het heelal zijn.
Sinds 2014 bouwen ingenieurs aan de versneller FRIB. In het voorjaar van 2022 was hij klaar om de eerste experimenten uit te voeren.
Nieuwe vormen zijn verbazend
De isotopen van een element verschillen van elkaar door het aantal neutronen in de atoomkern. Hier hebben de neutronen als taak om de afstoting tussen de positief geladen protonen tegen te gaan en zo de kern bijeen te houden.
Normaal gesproken zijn de neutronen en protonen in de kern georganiseerd in een bolvormige structuur met een zwerm negatieve elektronen eromheen – zoals we vaak op tekeningen van atomen zien.
Maar het is niet altijd zo eenvoudig.
Dit werd vooral duidelijk in 1985 nadat een team van Japanse en Amerikaanse wetenschappers de isotoop lithium-11 nauwkeurig bestudeerd had.
Deze variant heeft acht neutronen in zijn kern, vier meer dan de gebruikelijkste vorm, lithium-7. Maar de grote verrassing was dat de neutronen heel anders georganiseerd waren: twee ervan zweefden als kleine planeetjes rond de kern.
Sinds de ontdekking van de bizarre lithium-11-kern zijn er verschillende andere kernen gevonden die ook van de norm afwijken. Zo heeft radium-225 een asymmetrische kern: hij is peervormig in plaats van bolvormig.
Atoomkernen nemen nieuwe vormen aan
1. De bekende
Atoomkernen hebben meestal de vorm van een compacte bol die bestaat uit protonen en neutronen. Dat geldt ook voor lithium-7.
2. De tweeledige
De isotoop lithium-11 bevat vier extra neutronen. Maar twee ervan draaien als kleine planeetjes rond de rest van de kern.
3. De vervormde
De isotoop radium-225 heeft een peervormige kern in plaats van een ronde, waardoor zijn lading asymmetrisch is.
Beide voorbeelden tonen aan dat het bestaande natuurkundemodel van de atoomstructuur onvolmaakt is, en daarbij kan de FRIB te hulp schieten.
Nieuw atoommodel gezocht
Door zeker 1000 en misschien wel 3000 kortlevende isotopen en hun vormen te bestuderen, moeten de wetenschappers genoeg gegevens krijgen om eens en voor altijd een degelijk model in elkaar te draaien van de interactie en organisatie van de deeltjes in atomen.
De versneller zal vele isotopen maken door de kernen van uraniumatomen tot een snelheid van 500.000.000 km/h op te jagen. Dit gebeurt door 46 magnetische modules die langs de 450 meter lange buis van de versneller zitten.
De 450 meter lange buis van de versneller loopt door 46 containers met magnetische modules. De supergeleidende magneten worden tot -268 °C gekoeld met vloeibaar helium.
Als de uraniumkernen het andere eind van de versneller bereiken, worden ze direct naar een koolstofplaat geleid.
De botsingen resulteren in een groot aantal nieuwe atoomkernen, waaronder de gewilde exotische isotopen.
Een reeks magneten sorteert er dan de ongewenste kernen uit, waarna er een bundel overblijft van precies de isotoop die de onderzoekers willen bestuderen.
Versneller lijkt op een paperclip
Om in de gebouwen van Michigan State University te passen, is de 450 meter lange versneller FRIB opgevouwen als een paperclip. Door uraniumatomen te laten botsen, creëert hij biljoenen isotopen per seconde.
1. Ionenkanon geeft uranium positieve lading
Aan het ene eind van de FRIB worden biljoenen zware atomen, zoals uranium, elke seconde door een wolk van elektronen gestuurd. De wolk rukt de eigen elektronen van de atomen los en de positief geladen kernen worden door magneten verder geleid.
2. Magneten versnellen atoomkernen
De atoomkernen worden door de versneller geleid, waar supergeleidende magneten ze opjagen. In totaal passeren de kernen 46 magnetische modules, waardoor de snelheid oploopt tot 500 miljoen km/h.
3. Botsing creëert nieuwe atomen
De stroom uraniumkernen slaat in op een plaat van bijvoorbeeld koolstof. Daarbij verliezen of absorberen ze neutronen en protonen en ontstaan er nieuwe atomen. Die worden aan de andere kant van de plaat geanalyseerd.
Een van de grote vragen die de studies gaan beantwoorden is hoe zware atomen als goud zich in de ruimte vormen.
Momenteel houden astronomen het erop dat dit gebeurt wanneer een ster die minstens acht keer zo massief is als de zon explodeert tot supernova, of als twee neutronensterren op elkaar botsen.
In beide gevallen worden er heel veel neutronen geproduceerd. IJzeratomen kunnen die bijvoorbeeld absorberen en in bepaalde mate omzetten in protonen, waardoor zwaardere elementen ontstaan.
Met de FRIB hebben natuurkundigen nu een nog betere kans om het proces na te bootsen op aarde.
De zwaarste elementen in het heelal ontstonden onder extreme omstandigheden, zoals bij de botsing van twee neutronensterren.
Een andere – en nog grotere – vraag is waarom er materie in het heelal is.
Astrofysici gaan ervan uit dat er bij de oerknal evenveel materie als antimaterie is ontstaan. Die hadden elkaar moeten opheffen, waardoor alleen maar straling overgebleven had moeten blijven.
De isotoop radium-225, met zijn kern in een peervorm, zal kunnen uitwijzen of de ladingen van de kernen in materie en antimaterie zich anders gedragen – een verschil dat kan verklaren waarom er iets meer materie was om de nevels, sterren en planeten van het heelal te vormen.
Instabiele atomen doden kanker
Naast het onderzoeken van grote vragen zal de versneller materialen leveren voor meer praktische doeleinden.
Een voorbeeld is terbium-149, een instabiele radioactieve isotoop. Wanneer die vervalt, zendt de kern een alfadeeltje uit, dat bestaat uit twee hoogenergetische protonen en twee neutronen.
De alfastraling van terbium-149 werkt goed bij deeltjestherapie tegen kanker – een speciale soort bestraling die de tumor heel precies raakt, waardoor het gezonde weefsel eromheen niet beschadigd raakt. Dit is vooral belangrijk als de tumor dicht bij of in een vitaal en kwetsbaar orgaan zit, zoals de hersenen.
Kankergezwellen worden bestraald met alfadeeltjes, die vrijkomen als de isotoop terbium-149 vervalt.
Voor kankerpatiënten kan de FRIB zo een soort levenselixer verschaffen waar de oude alchemisten over fantaseerden.
En als het om de droom van goud gaat, kan de FRIB isotopen produceren die zeer zeldzaam en dus waardevol zijn.
Een goed voorbeeld is californium-252, dat gebruikt wordt in kernreactoren. 1 gram hiervan kost circa 25 miljoen euro – dat is 470.000 keer zoveel als goud!
