根據一項新研究，密歇根州立大學（MSU）的科學家們與一個國際研究團隊合作，幫助創造了迄今為止世界上最輕的鎂同位素。
在密歇根州立大學的國家超導回旋加速器實驗室（NSCL）鍛造的這種同位素非常不穩定，在科學家們能夠直接測量它之前，它就已經分解。然而，這種並不熱衷於存在的同位素可以幫助研究人員更好地了解定義我們存在的原子是如何形成的。
在北京大學研究人員的領導下，該團隊包括來自聖路易斯華盛頓大學、MSU和其他機構的科學家。
“我感興趣的一個大問題是宇宙的元素來自哪裡，”稀有同位素光束設施（FRIB）的化學副教授 Kyle Brown說。 Brown是這項新研究的負責人之一，該研究於2021年12月22日由《物理評論快報》雜誌在線發表。
“這些元素是如何產生的？這些過程是如何發生的？” Brown問道。新同位素本身不會回答這些問題，但它可以幫助完善科學家為解釋這些謎團而開發的理論和模型。
地球上充滿了天然的鎂，這些鎂很久以前在恆星中鑄造，後來成為我們飲食的一個關鍵組成部分和地球地殼中的礦物質。但是這種鎂是穩定的。它的原子核心，或原子核，不會散開。
然而，新的鎂同位素太不穩定，無法在自然界中找到。但是，通過使用粒子加速器來製造像這種越來越奇特的同位素，科學家們可以突破模型的極限，幫助解釋所有原子核是如何構建和保持在一起的。這反過來又有助於預測在極端的宇宙環境中發生的事情，而研究人員可能永遠無法在地球上直接模仿或測量。
Brown說：“通過測試這些模型並使它們變得越來越好，我們可以推斷出在我們無法測量的地方事情是如何運作的。我們正在測量我們可以測量的東西，以預測我們不能測量的東西。”
自1982年以來，NSCL一直在幫助全世界的科學家們進一步了解宇宙。當2022年開始進行實驗時，FRIB將繼續這一傳統。FRIB是美國能源部科學辦公室，或DOE-SC的用戶設施，支持DOE-SC核物理辦公室的任務。
“FRIB將測量很多我們過去無法測量的東西，”Brown說。“我們實際上有一個已批准的實驗將在FRIB運行。而且，我們應該能夠創造出另一個以前沒有製造過的原子核。”
在進入那個未來的實驗之前，Brown已經參與了四個不同的項目，這些項目製造了新的同位素。這包括最新的，被稱為鎂-18。
所有鎂原子的核內都有12個質子。此前，最輕的鎂有7個中子，使其共有19個質子和中子–因此它被命名為鎂-19。
為了製造出輕了一個中子的鎂-18，研究小組從穩定版本的鎂-24開始。NSCL的回旋加速器將一束鎂-24原子核加速到大約一半的光速，並將這束原子核射向一個目標，即由鈹元素製成的金屬箔。而這只是第一步。
Brown說：“那次碰撞給了你一堆比鎂-24更輕的不同同位素。但是，從這個‘湯’中，我們可以選擇出我們想要的同位素。”
在這種情況下，這種同位素是鎂-20。這個版本是不穩定的，這意味着它的衰變，通常在十分之一秒內。因此，該團隊正在進行計時，讓鎂-20與大約30米或100英尺外的另一個鈹目標碰撞。
“但它是以一半的光速飛行，”Brown說。“它很快就能到達那裡。”
正是這種下一次碰撞產生了鎂-18，它的壽命在六千萬億分之一秒左右。這是一個如此短的時間，以至於鎂-18在散開之前不會用電子來掩蓋自己，成為一個完整的原子。它只作為一個裸露的原子核存在。
事實上，在這麼短的時間內，鎂-18從未離開過鈹靶。新的同位素在靶內衰變。這意味着科學家不能直接檢查這種同位素，但他們可以確定其衰變的蛛絲馬跡。鎂-18首先從其原子核中噴出兩個質子，成為氖-16，然後再噴出兩個質子，成為氧-14。通過分析逃離目標的質子和氧氣，研究小組可以推斷出鎂-18的特性。
“這是一個團隊的努力。每個人都在這個項目上非常努力地工作，”Brown說。“這相當令人興奮。人們並不是每天都能發現一種新的同位素。”
科學家們每年都在為已知的同位素列表添加新的條目，這些同位素的數量達到了數千。Brown表示：“我們正在向一個桶中添加水滴，但它們是重要的水滴。我們可以把我們的名字放在這個上面，整個團隊都可以。而且我可以告訴我的父母，我幫助發現了這個別人從未見過的原子核。”