Los reinos externos de la tabla periódica, donde estable, los isótopos de larga duración dan paso a iones radiactivos, ofrecer a los científicos nucleares una visión única de la estructura de los núcleos y una mejor comprensión de cómo se formaron los diferentes elementos de nuestro universo como resultado de la fusión estelar o las explosiones de supernovas.

Para producir y acelerar haces de isótopos radiactivos para experimentos de física, Los científicos recurren a instalaciones como el sistema acelerador lineal en tándem Argonne (ATLAS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional de Argonne para el estudio de la física nuclear. Desde la primera aceleración exitosa de un haz de iones por la instalación prototipo de ATLAS en 1978, ATLAS ha continuado introduciendo componentes que agregan selecciones de haz únicas y mejoran drásticamente la calidad del haz, incluidas las recientes incorporaciones del Sistema de iones por haz de electrones (EBIS) y el Separador de iones radiactivos en vuelo de Argonne (RAISOR).

ATLAS comenzó su vida principalmente como una instalación de haz estable, pero en el transcurso de las últimas dos décadas, los científicos han sido pioneros en técnicas para desarrollar haces de iones radiactivos. En 2009, Argonne agregó a ATLAS un sistema llamado CARIBU, para la mejora de reproductores de iones raros de Californio, que es capaz de generar haces de isótopos raros.

Preparar los haces de CARIBU para la aceleración en ATLAS requiere un preacondicionamiento especial, dijo el físico de Argonne Clay Dickerson. CARIBU actúa retardando los productos de descomposición de una fuente de californio-252 radiactivo en el gas helio.

"Es como intentar atravesar un pozo de pelotas; los fragmentos pierden algo de su energía, "Dijo Dickerson." Con una manipulación inteligente, podemos usar imanes para seleccionar iones con las masas específicas que queramos ". El sistema CARIBU puede separar diferentes isótopos siempre que sus masas difieran en una parte en 15, 000.

Una vez que los investigadores de física nuclear seleccionan un haz de isótopos en particular, eventualmente debe acelerarse en ATLAS. Para lograr esto, Dickerson y sus colegas equiparon ATLAS con el nuevo EBIS, lo que permite que el haz se corresponda con las estructuras de aceleración aumentando la carga positiva del haz de iones.

El EBIS hace esto disparando un haz de electrones de alta energía a los iones, cada uno de los cuales tiene aproximadamente de 40 a 50 electrones. A medida que el haz de electrones EBIS elimina los electrones que rodean a los iones radiactivos, el estado de carga de los iones se vuelve cada vez más positivo, permitiéndoles ser acelerados de manera eficiente.

Si bien EBIS es bueno para preparar haces de isótopos relativamente pesados ​​(aquellos con docenas de protones), la instalación RAISOR brinda a los científicos una forma de examinar esos isótopos más livianos hacia la parte superior de la tabla periódica. Para generar estos haces radiactivos, los investigadores primero tienen que comenzar con un rayo estable y luego chocar con un objetivo. Una vez que generan el haz de interés, Los físicos nucleares de ATLAS pueden realizar más experimentos con él aguas abajo.

"Este método, que produce rayos radiactivos 'en vuelo', es conveniente y versátil, y permite explorar mejor una parte significativa de la casi estabilidad, isótopos de baja masa, "Dijo Dickerson.

Aunque RAISOR no es el primer sistema de producción de haces en vuelo de ATLAS, aborda una serie de desafíos experimentados con el sistema anterior, que era principalmente un prototipo de máquina utilizado para ofrecer una prueba de principio. Por ejemplo, RAISOR tiene un volcado de haz dedicado que se puede utilizar para absorber el haz utilizado para crear los haces radiactivos, dando a los científicos una forma mucho más fácil de controlar la potencia del rayo. "RAISOR realmente empuja nuestras limitaciones anteriores más allá para que podamos ir a una intensidad más alta y producir más haces, "Dijo Dickerson.

Las recientes mejoras de ATLAS con EBIS y RAISOR en ATLAS ayudarán a los científicos a investigar las estructuras de elementos exóticos, estudiar la naturaleza de las fuerzas nucleares, y comprender mejor la producción de elementos en estrellas y supernovas.