ISOLDE træder ind i det uudforskede område af atomkortet for at studere eksotiske isotoper

Mange tunge elementer, såsom guld, menes at dannes i kosmiske miljøer rige på neutroner - tænk supernovaer eller sammensmeltninger af neutronstjerner. I disse ekstreme indstillinger, atomkerner kan hurtigt fange neutroner og blive tungere, skabe nye elementer. På det fjerneste af atomkortet, som arrangerer alle kendte kerner efter deres antal protoner og neutroner, ligger uudforskede kerner, der er afgørende for at forstå detaljerne i denne hurtige neutronindfangningsproces. Dette er især tilfældet for kerner med færre end 82 protoner og mere end 126 neutroner.

Forskere, der bruger CERNs kernefysikanlæg ISOLDE, er nu trådt ind i dette næsten ukendte område af atomkortet med en første undersøgelse af kviksølvisotopens neutronstruktur ²⁰⁷ Hg. Denne isotop er ikke direkte involveret i den hurtige neutronindfangningsproces, eller "r-proces, " men det er en relativt tæt nabo til r-proceskerner, der ligger i denne næsten uudforskede region. Som sådan, ²⁰⁷ Hg kunne hjælpe med at afsløre nogle af de nukleare hemmeligheder bag r-proceskerner og dermed kaste lys over tunge grundstoffers oprindelse.

At studere neutronstrukturen af ²⁰⁷ Hg, tog forskerne først ²⁰⁶ Hg isotoper, der blev produceret sammen med hundredvis af andre eksotiske isotoper ved ISOLDE ved at affyre en 1,4 milliarder elektronvolt protonstråle fra Proton Synchrotron Booster på et smeltet blymål. Det ²⁰⁶ Hg isotoper, som har en neutron færre i kernen end ²⁰⁷ Hg, blev derefter accelereret i anlæggets HIE-ISOLDE accelerator til en energi på omkring 1,52 milliarder elektronvolt - den højeste energi, der nogensinde er opnået ved HIE-ISOLDE. Forskerne fokuserede derefter på ²⁰⁶ Hg-isotoper ved et deuterium-mål inde i ISOLDE-solenoidalspektrometeret (ISS), et nyudviklet magnetisk spektrometer, der var i stand til at afsløre begivenheder, hvor de ²⁰⁶ Hg isotoper fangede en neutron og blev til exciterede ²⁰⁷ Hg isotoper.

Fra analysen af ​​disse begivenheder, forskerne bestemte bindingsenergierne af de nukleare orbitaler, hvori neutronen er fanget, det er, i hvilken grad den opfangede neutron er bundet til de andre neutroner og protoner. De indførte derefter disse resultater i teoretiske modeller af r-processen for at teste og udfordre disse modeller.

"Dette resultat markerer den første udforskning af neutronstrukturen af ²⁰⁷ Hg kerne, bane vejen for fremtidige eksperimentelle undersøgelser, med ISS-instrumentet hos ISOLDE og ved næste generations kernefysikanlæg, af den næsten ukendte atomregion hvor ²⁰⁷ Hg løgn, " siger hovedforsker Ben Kay fra Argonne National Laboratory, hvor teknikken, der ligger til grund for ISS, var banebrydende.

"Denne undersøgelse var mulig takket være tre ting:det færdige HIE-ISOLDE acceleratorsystem, som nu tillader radioaktive isotoper at blive accelereret til energier tæt på 10 millioner elektronvolt pr. proton eller neutron; installationen af ​​ISS, en tidligere MR-magnet genbrugt til undersøgelser af eksotiske kerner af et samarbejde fra Storbritannien, Belgien og CERN; og, sidst men ikke mindst, et partikeldetektorsystem, der blev leveret af Argonne National Laboratory og gjorde det muligt at udføre eksperimentet lige før begyndelsen af ​​den igangværende nedlukning af CERNs acceleratorkompleks, " forklarede ISOLDE-talsmand Gerda Neyens.