Die Geheimnisse von Atomkernen

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Studenten an der Michigan State University einen Blick gelegentlich bis auf das geheimnisvolle Wort, das über der Haustür Eingang von einer großen Forschungseinrichtung auf dem Campus gelegen ist. Einige weiter auf ihrem Weg nach Klasse, nicht zu geben dem Wort "Zyklotron" noch einmal, während andere für einen Moment innehalten und darüber nachdenken, was jenseits dieser Glastüren stattfindet.

Der Mann hinter den Glastüren, Orchestrierung, die bahnbrechende Forschung und aufregende Entdeckungen an Michigan Landesuniversität nationale supraleitenden Zyklotron Labor (NSCL) ist Konrad Gelbke. Direktor des Labors seit 1994, hat Gelbke guiding NSCL auf seine Position als eines der führenden Beschleunigeranlagen in der Nation beigetragen.

Auf den ersten Blick Gelbkes Professionalität und Fokus sind deutlich, aber er ist auch reich an jugendlichem Enthusiasmus wie er spricht über die Geheimnisse, die innerhalb der Anlage dekodiert werden und wichtigeren Anwendungen, die nuklearen Grundlagenforschung, wie medizinische Behandlungen und Sicherheitstechnik geführt hat.

High-Speed-Kollisionen

Zwei Zyklotrons, eine Art von geladenen Teilchen-Beschleuniger, Arbeit im Tandem am NSCL zu entsperren die Geheimnisse der Atomkerne. Atome zu beschleunigen, dann zertrümmern sie und Chiffrierung durch die Gischt der Partikel, die sich ergibt, kann der kosmischen Ursprüngen der Elemente im Universum zeigen und selbst führt zu einer viel versprechenden neuen Behandlungsmethoden für Krebs.

Atomkerne sind unglaublich dicht. Paradoxerweise, kann sie entfallen fast die gesamte Masse aber so wenig wie ein Zehntausendstel der Durchmesser eines Atoms. Um das Herzstück des Atoms und die Geheimnisse rund um es zu entwirren, müssen Forscher im Wesentlichen das Atom zu den Stücken durch einen hochenergetischen, Hochgeschwindigkeits-Kollision brechen.

Auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und die meisten seiner Elektronen innerhalb der zwei Zyklotrons beraubt, sind hoch geladene Ionen (Atome mit einer großen positiven elektrischen Ladung) geführt und manipuliert zu ihrem endgültigen Bestimmungsort – ein Stück Beryllium Metall bezeichnet das Produktionsziel, das aussieht wie ein dickes Stück Aluminiumfolie.

Instabile Elemente Geheimnisse

Es dauert weniger als zehn Tausendstel einer Sekunde für den Strahl der Ionen des Zyklotrons verlassen und smash in das Ziel. NSCL Direktor Konrad Gelbke vergleicht den Prozess, ein Strahl des Lichtes durch ein Prisma bewegen und die Trennung in verschiedene Wellenlängen um einen Regenbogen zu produzieren, aber in diesem Fall Ionen passieren das Ziel und trennen in einem ganzen Spray von Teilchen: Protonen, Neutronen und die seltenste der Isotope.

Nach dem Aufprall magnetische Linsen und Prismen verwendet werden, zu sortieren, die Vielfalt der Partikel in einem Millionstel einer Sekunde. Die Isotope produziert sind selten, Variationen, sind selten in unserem Sonnensystem. Extrem kurzlebig, existieren solche Isotope, die übernehmen oder verlieren zusätzliche Neutronen oder Protonen als Ergebnis von Kollisionen nicht auf der Erde. Sie sind der Schlüssel für das Verständnis, wie Elemente im Universum gebildet und in der Nähe von zu Hause, wie Elemente dieses Planeten geformt.

"Studieren instabile Elemente kann uns sagen, was war los in Stars, wie wie Kerne hergestellt werden und wo die Elemente auf der Erde kommen," erklärte Gelbke, Direktor des NSCL seit 1994. "Die Erde und das Leben sind Sternenstaub, den Überrest Material der Geschehnisse in Sternexplosionen, Kernphysik ist ein sehr wichtiger Teil der Lösung der Frage der Herkunft."

Kernphysik und Krebs

Entdeckungen im Inneren NSCL Sonde nicht nur der Ursprung der Elemente und Erstellung des Planeten – sie führen auch zu Durchbrüchen in der medizinischen Behandlung. Wissenschaftliche Grundlagenforschung in Kernphysik führte schließlich zur Protonentherapie, eine innovative Krebsbehandlung liefert Bleistiftstrich beschleunigte Protonen direkt an einen Tumor konzentriert. Im Gegensatz zu Neutronen-Therapie Protonen sind leichter zu führen wegen ihrer elektrischen Ladung und im Gegensatz zu Röntgenaufnahmen, Protonenstrahlung hält an der Krebsgeschwulst. Dies bedeutet weniger schädlichsten Auswirkungen auf die gesunden Zellen.

NSCL arbeitete mit einem Anbieter von wissenschaftlichen Instrumenten und Proton Therapie Maschinen über technische Entwürfe für ein Proton Beschleuniger, ein System, das jetzt auf der ganzen Welt vermarktet wird.

Zusammen mit medizinischen Behandlungen ist Kernphysik Forschung voran Materialwissenschaften mit Satelliten, die Strahlung Störungen widerstehen kann, Bilder Magnetresonanztomographie (MRI) zu verbessern und zunehmende Komplexität der Flughafen-Sicherheits-Tools, Explosivstoffe zu ermitteln.

Zyklotron-Geschichte

Das erste Zyklotron an der Michigan State University wurde in den 1960er Jahren gebaut. Über die Jahrzehnte hinweg hat die Technologie hinter Kernphysik an der Universität stark verbesserte und generierten bahnbrechende Forschung.

In den frühen 1990er Jahren, als Gelbke Direktor ernannt wurde, war NSCL suchen, um den nächsten Schritt in der Kernphysik zu tun, durch ein Upgrade das Labor mit der internationalen Gemeinschaft zu konkurrieren. Mit Störungssuche Finanzierung für ein neues großes Projekt, gekoppelt Gelbke und Kollegen die zwei älteren Zyklotrone, die zehn Jahre zuvor in einer modernen Maschine, gebaut worden waren anfallende Kosten bei der Erstellung weltweit führende Funktion bei der Beschleunigung von geladenen Teilchen.

Hilfreicher ist jetzt das größte Campus-basierte Kernphysik Labor in den Land und Bahn 10 Prozent des Landes Kernwissenschaft Ph.d. Jedoch sind Zyklotrone, die an der Spitze der seltenen Isotop Forschung NSCL platziert haben überholt werden.

"Für uns um relevant zu bleiben brauchen wir neue Recherchetools," sagte Gelbke. "Es ist wie der Eintritt in ein Weltmeister Autorennen heute mit einem renovierten, Automobil, Jahrgang 1988."

Für eine seltene Isotope Lab, seine Leistung ist abhängig von wie viele Isotope produzieren kann, die richtet sich auf wie viele Teilchen es pro Sekunde zerschlagen kann. Die Leistung der Technologie kann der Unterschied in der Führung ein Test pro Jahr, seltene Teilchen zu entdecken oder einen Test pro Tag sein.

Das Zyklotron-Labor ist im Rennen um die nächste Generation nuklearer Recherche-Tool, eine, die
GELBKE glaubt, wird die Leidenschaft des jungen Menschen entzünden und Führer in diesen Bereichen für die nächste Generation zu produzieren.

Matthew Cimitile ist ein Student im Umweltjournalismus Programm an der Michigan State University.

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Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die nationalen
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