Produkter fra nukleare transmutationer er spottet med enestående detaljer

Gamle grækere forestillede sig, at alt i den naturlige verden kom fra deres gudinde Physis; hendes navn er kilden til ordet fysik. Nutidens atomfysikere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har skabt en egen GUDDESS-en detektor, der giver indsigt i astrofysiske atomreaktioner, der producerer grundstofferne tungere end brint (dette letteste element blev skabt lige efter Big Bang) .

Forskere udviklede en state-of-the-art ladet partikeldetektor på ORNL kaldet Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, eller ORRUBA, at studere reaktioner med bjælker af astrofysisk vigtige radioaktive kerner. For nylig, dens siliciumdetektorer blev opgraderet og tæt pakket for at forberede den til at arbejde sammen med store germanium-baserede gammastråldetektorer, såsom Gammasphere, og den næste generations gammastrålesporingsdetektorsystem, GRETINA. Resultatet er GUDDESS — Gammasphere/GRETINA ORRUBA:Dual Detectors for Experimental Struktur Studies.

Med millimeter positionsopløsning, GUDDESS registrerer emissioner fra reaktioner, der finder sted, når energiske stråler af radioaktive kerner får eller mister protoner og neutroner og udsender gammastråler eller ladede partikler, såsom protoner, deuterons, tritoner, helium-3 eller alfa-partikler.

"De ladede partikler i siliciumdetektorer fortæller os, hvordan kernen blev dannet, og gammastrålerne fortæller os, hvordan det forfaldt, "forklarede Steven Pain fra ORNL's Physics Division." Vi fletter de to datasæt og bruger dem som om de var en detektor for et komplet billede af reaktionen. "

Tidligere i år, Smerte fik mere end 50 forskere fra 12 institutioner i GUDDESS -eksperimenter til at forstå elementernes kosmiske oprindelse. Han er hovedforsker for to forsøg og medforstander for et tredje. Dataanalyse af de komplekse eksperimenter forventes at tage to år.

"Næsten alle tunge stabile kerner i universet er skabt gennem ustabile kerner, der reagerer og derefter vender tilbage til stabilitet, "Sagde smerte.

Et århundrede med atomtransmutation

I 1911 blev Ernest Rutherford forbløffet over at observere, at alfapartikler - tunge og positivt ladede - nogle gange hoppede baglæns. Han konkluderede, at de må have ramt noget ekstremt tæt og positivt ladet - kun muligt, hvis næsten hele atommassen var koncentreret i midten. Han havde opdaget atomkernen. Han studerede nukleoner - protoner og neutroner - der udgør kernen, og som er omgivet af skaller af kredsløbende elektroner.

Et element kan blive til et andet, når nukleoner fanges, udveksles eller bortvises. Når dette sker med stjerner, det kaldes nukleosyntese. Rutherford faldt over denne proces i laboratoriet gennem et unormalt resultat i en række partikelspredende eksperimenter. Den første kunstige nukleare transmutation reagerede nitrogen-14 med en alfapartikel for at skabe oxygen-17 og en proton. Bragden blev udgivet i 1919, så fremskridt i det nyopfundne skyrum, opdagelser om kortlivede kerner (som udgør 90% af kernerne), og eksperimenter, der fortsætter den dag i dag som en topprioritet for fysik.

"For et århundrede siden, den første atomreaktion af stabile isotoper blev udledt af menneskelige observatører, der tællede lysglimt med et mikroskop, "bemærkede smerter, hvem er Rutherfords "oldebarnebarn" i akademisk forstand:hans ph.d. specialevejleder var Wilton Catford, hvis rådgiver var Kenneth Allen, hvis rådgiver var William Burcham, hvis rådgiver var Rutherford. "I dag, avancerede detektorer som GUDDESS giver os mulighed for at udforske, med stor følsomhed, reaktioner fra de vanskeligt tilgængelige ustabile radioaktive kerner, der driver de astrofysiske eksplosioner, der genererer mange af de stabile elementer omkring os. "

Forståelse for termonuklear løbsk

Et eksperiment Pain led fokuseret på fosfor-30, hvilket er vigtigt for at forstå visse termonukleare løbende. "Vi søger at forstå nukleosyntese i nova -eksplosioner - de mest almindelige stjerneksplosioner, "sagde han. En nova forekommer i et binært system, hvor en hvid dværg gravitationsmæssigt trækker brintrig materiale fra en nærliggende" ledsager "-stjerne, indtil der sker termonukleær flugt og den hvide dværgs overfladelag eksploderer. Asken fra disse eksplosioner ændrer den kemiske sammensætning af galaksen.

Kandidatstuderende ved University of Tennessee Rajesh Ghimire analyserer data fra fosforforsøget, som overførte en neutron fra deuterium i et mål til en intens stråle af den kortlivede radioaktive isotop fosfor-30. Partikel- og gammastråldetektorer fik øje på, hvad der dukkede op, korrelerende tider, steder og energier for proton- og gammastråleproduktion.

Fosfor-30-kernen påvirker stærkt forholdet mellem de fleste af de tungere grundstoffer, der produceres under en nova-eksplosion. Hvis phosphor-30-reaktionerne forstås, elementforholdene kan bruges til at måle den maksimale temperatur, som novaen nåede. "Det er en observerbar, som nogen med et teleskop kunne se, "Sagde smerte.

Oplysende skabelse af tunge elementer

Det andet eksperiment Pain led transmuterede en meget tungere isotop, tellur-134. "Denne kerne er involveret i den hurtige neutronopsamlingsproces, eller r -proces, som er den måde, hvorpå halvdelen af ​​grundstofferne tungere end jern dannes i universet, "Smerterelateret. Det forekommer i et miljø med mange frie neutroner - måske supernovaer eller neutronstjernefusioner." Vi ved, at det sker, fordi vi ser elementerne omkring os, men vi ved stadig ikke præcist, hvor og hvordan det sker. "

Forståelse af r-procesnukleosyntese vil være en stor aktivitet på Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), en DOE Office of Science brugerfacilitet planlagt til at åbne ved Michigan State University (MSU) i 2022. FRIB vil muliggøre opdagelser om sjældne isotoper, nuklear astrofysik og grundlæggende interaktioner, og applikationer inden for medicin, hjemlands sikkerhed og industri.

"R -processen er en meget, meget kompliceret netværk af reaktioner; mange, mange stykker går ind i det, "Smerter understregede." Du kan ikke lave et eksperiment og få svaret. "

Tellurium-134-eksperimentet starter med radioaktivt californium fremstillet på ORNL og installeret ved Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), en DOE Office of Science brugerfacilitet på Argonne National Laboratory. California fissioner spontant, med tellur-134 blandt produkterne. En stråle af tellur-134 accelereres til et deuterium-mål og absorberer en neutron, spytter en proton ud i processen. "Tellurium-134 kommer ind, men tellur-135 går ud, "Smerter opsummerede.

"Vi opdager den proton i GODDESSs siliciumdetektorer. Tellurium-135 fortsætter ned ad strålelinjen. Protonens energi og vinkel fortæller os om tellur-135, vi har skabt-det kan være i dets jordtilstand eller i enhver af et antal ophidsede tilstande. De ophidsede tilstande henfalder ved at udsende en gammastråle. " Germaniumdetektorerne afslører energien fra gammastrålerne med en hidtil uset opløsning for at vise, hvordan kernen forfaldt. Derefter kommer kernen ind i en gasdetektor, skaber et spor af ioniseret gas, hvorfra de fjernede elektroner opsamles. Måling af energien afsat i forskellige områder af detektoren gør det muligt for forskere at identificere kernen definitivt.

Rutgers kandidatstuderende Chad Ummel fokuserer på eksperimentets analyse. Sagde smerte, "Vi forsøger at forstå rollen for denne tellur-134-kerne i r-processen på forskellige potentielle astrofysiske steder. Reaktionsstrømmen i dette netværk af neutronfangstreaktioner påvirker overfloderne af de oprettede elementer. Vi skal forstå dette netværk for at forstå oprindelsen af ​​de tunge elementer. "

GUDENES fremtid

Forskerne vil fortsætte med at udvikle udstyr og teknikker til nuværende brug af GODDESS i Argonne og MSU og fremtidig brug på FRIB, som vil give hidtil uset adgang til mange ustabile kerner, der i øjeblikket er uden for rækkevidde. Fremtidige forsøg vil anvende to strategier.

Man bruger hurtige stråler af kerner, der er blevet fragmenteret til andre kerner. Smerte ligner de forskellige nukleare produkter til en hel zoologisk have, der suser ned ad bjælkelinjen i kaos. De hurtigt bevægelige kerner passerer gennem en række magneter, der vælger ønskede "zebraer" og kasserer uønskede "giraffer, "" gnus "og" flodheste. "

Den anden tilgang stopper ionerne med et materiale, re-ioniserer dem, accelererer dem derefter, før de radioaktivt kan henfalde. Forklaret smerte, "Det giver dig mulighed for at korralere alle zebraer, ro dem ned, derefter bringe dem ordenligt ud i retningen, hastighed og hastighed, du ønsker. "

Tæmning af de elementer, der gør planeter og mennesker mulige - det er virkelig domænet for en fysik GUDDESS.