Hur fungerar de kemiska elementen, byggstenarna i vårt universum, byggas? Denna fråga har varit kärnan i kärnfysiken under mer än ett sekel.

I början av 1900-talet, forskare upptäckte att element har en central kärna eller kärna. Dessa kärnor består av olika antal protoner och neutroner.

Nu, forskare vid Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) har byggt och testat en enhet som kommer att tillåta centrala insikter i tunga element, eller grundämnen med mycket stort antal protoner och neutroner. Ben Kay, fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, ledde denna ansträngning. FRIB är en DOE Office of Science User Facility.

Kay och hans team har slutfört sitt första experiment med enheten, kallas SOLARIS, som står för Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Planerade experiment kommer att avslöja information om kärnreaktioner som skapar några av de tyngsta elementen i vår värld, allt från järn till uran.

Även experiment med exotiska isotoper planeras. Isotoper är element som delar samma antal protoner men har olika antal neutroner. Forskare hänvisar till vissa isotoper som exotiska eftersom deras förhållande mellan protoner och neutroner skiljer sig från de för typiskt stabila eller långlivade isotoper som förekommer naturligt på jorden. Några av dessa instabila isotoper spelar en viktig roll i astronomiska händelser.

"Exploderande stjärnor, sammanslagning av gigantiska kollapsade stjärnor, vi lär oss nu detaljer om kärnreaktionerna i hjärtat av dessa händelser, " sa Kay. "Med SOLARIS, vi kan återskapa de reaktionerna här, på jorden, att se dem själva."

Den nya enheten följer i fotspåren av HELIOS, Helical Orbit Spectrometer, vid Argonne. Båda använder liknande supraledande magneter från en magnetisk resonanstomografi (MRI) som den som finns på sjukhus. I båda, en stråle av partiklar skjuts mot ett målmaterial inuti en vakuumkammare. När partiklarna kolliderar med målet, överföringsreaktioner inträffar. I sådana reaktioner, neutroner eller protoner antingen avlägsnas eller läggs till från kärnor, beroende på partiklarna, och deras energier, användes vid kollisionen.

"Genom att registrera energin och vinkeln för de olika partiklarna som frigörs eller avböjes från kollisionerna, vi kan samla information om strukturen hos kärnorna i dessa isotoper, ", sa Kay. "Den innovativa SOLARIS-designen ger den nödvändiga upplösningen för att förbättra vår förståelse för dessa exotiska kärnor."

Det som gör SOLARIS verkligt unikt är att den kan fungera som en dual-mode spektrometer, vilket innebär att den kan göra mätningar med strålar med antingen hög eller mycket låg intensitet. "SOLARIS kan fungera i dessa två lägen, " förklarade Kay. "Man använder en traditionell kiseldetektoruppsättning i ett vakuum. Den andra använder det nya gasfyllda målet från Active-Target Time-Projection Chamber i Michigan State, ledd av SOLARIS-teammedlemmen och seniorfysikern Daniel Bazin från FRIB. Detta första experiment testade AT-TPC." AT-TPC gör det möjligt för forskare att använda svagare strålar och ändå samla in resultat med den höga noggrannheten som behövs.

AT-TPC är i huvudsak en stor kammare fylld med en gas som fungerar som både mål för strålen och detektormediet. Detta skiljer sig från den traditionella vakuumkammaren som använder en kiseldetektoruppsättning och en separat, tunn, fast mål.

"Genom att fylla kammaren med gas, du ser till att ju färre, större partiklar från den lågintensiva strålen kommer i kontakt med målmaterialet, sa Kay. På det sättet, forskarna kan sedan studera produkterna från dessa kollisioner.

Teamets första experiment, leds av forskningsassistent Clementine Santamaria från FRIB, undersökte sönderfallet av syre-16 (den vanligaste isotopen av syre på vår planet) till mycket mindre alfapartiklar. Särskilt, de åtta protonerna och åtta neutronerna i syre-16 kärnor bryts upp i totalt fyra alfapartiklar, var och en består av två protoner och två neutroner.

"Genom att bestämma hur oxygen-16 sönderfaller så här, jämförelser kan göras med den i Hoyle-staten, ' ett exciterat tillstånd av en kolisotop som vi tror spelar en nyckelroll i produktionen av kol i stjärnor, " förklarade Kay.

Kay och hans team registrerade över två miljoner reaktionshändelser under detta experiment och observerade flera fall av sönderfallet av syre-16 till alfapartiklar.

Den dubbla funktionaliteten hos SOLARIS kommer att möjliggöra ett ännu bredare utbud av kärnreaktionsexperiment än tidigare, och ge vetenskapsmän nya insikter i några av de största mysterierna i kosmos.