Fysikere vægter tunge grundstoffers oprindelse

Et langvarigt mysterium inden for kernefysik er, hvorfor universet er sammensat af de specifikke materialer, vi ser omkring os. Med andre ord, hvorfor er det lavet af "dette" og ikke andre ting?

Specifikt af interesse er de fysiske processer, der er ansvarlige for at producere tunge grundstoffer - som guld, platin og uran - der menes at ske under neutronstjernefusioner og eksplosive stjernebegivenheder.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory ledede et internationalt kernefysikeksperiment udført på CERN, Den europæiske organisation for nuklear forskning, der anvender nye teknikker udviklet i Argonne til at studere naturen og oprindelsen af ​​tunge elementer i universet. Undersøgelsen kan give kritisk indsigt i de processer, der arbejder sammen om at skabe de eksotiske kerner, og det vil informere modeller om stjernebegivenheder og det tidlige univers.

Kernefysikerne i samarbejdet er de første til at observere neutron-skal-strukturen af ​​en kerne med færre protoner end bly og mere end 126 neutroner - "magiske tal" inden for kernefysik.

Ved disse magiske tal, heraf 8, 20, 28, 50 og 126 er kanoniske værdier, kerner har øget stabilitet, meget som ædelgasserne gør med lukkede elektronskaller. Kerner med neutroner over det magiske tal på 126 er stort set uudforskede, fordi de er svære at producere. Viden om deres adfærd er afgørende for at forstå den hurtige neutronfangstproces, eller r -behandle, der producerer mange af de tunge grundstoffer i universet.

Det r -proces menes at forekomme under ekstreme stjerneforhold, såsom neutronstjernefusioner eller supernovaer. Disse neutronrige miljøer er, hvor kerner hurtigt kan vokse, at fange neutroner for at producere nye og tungere grundstoffer, før de har chancen for at henfalde.

Dette eksperiment fokuserede på kviksølvisotopen ²⁰⁷ Hg. Studiet af ²⁰⁷ Hg kunne belyse egenskaberne hos sine nære naboer, kerner direkte involveret i nøgleaspekter af r -behandle.

"Et af de største spørgsmål i dette århundrede har været, hvordan grundstofferne dannede sig i begyndelsen af ​​universet, " sagde Argonne-fysiker Ben Kay, den ledende videnskabsmand på undersøgelsen. "Det er svært at undersøge, fordi vi ikke bare kan grave en supernova op af jorden, så vi er nødt til at skabe disse ekstreme miljøer og studere de reaktioner, der opstår i dem."

At studere strukturen af ²⁰⁷ Hg, forskerne brugte først HIE-ISOLDE faciliteten ved CERN i Genève, Schweiz. En højenergistråle af protoner blev affyret mod et smeltet blymål, med de resulterende kollisioner, der producerede hundredvis af eksotiske og radioaktive isotoper.

Så skiltes de ²⁰⁶ Hg-kerner fra de andre fragmenter og brugte CERNs HIE-ISOLDE-accelerator til at oprette en stråle af kernerne med den højeste energi, der nogensinde er opnået på det acceleratoranlæg. De fokuserede derefter strålen på et deuterium -mål inde i det nye ISOLDE Solenoidal Spectrometer (ISS).

"Ingen anden facilitet kan lave kviksølvstråler af denne masse og accelerere dem til disse energier, " sagde Kay. "Dette, kombineret med ISS' enestående opløsningsevne, tillod os at observere spektret af ophidsede tilstande i ²⁰⁷ Hg for første gang. "

 ISS er et nyudviklet magnetisk spektrometer, som kernefysikerne brugte til at detektere tilfælde af ²⁰⁶ Hg kerner fanger en neutron og bliver til ²⁰⁷ Hg. Spektrometrets solenoidemagnet er en genbrugt 4-Tesla superledende MRI-magnet fra et hospital i Australien. Det blev flyttet til CERN og installeret hos ISOLDE, takket være et britisk ledet samarbejde mellem University of Liverpool, University of Manchester, Daresbury Laboratory og samarbejdspartnere fra KU Leuven i Belgien.

Deuterium, en sjælden tung isotop af brint, består af en proton og neutron. Hvornår ²⁰⁶ Hg fanger en neutron fra deuterium-målet, protonen rykker tilbage. De protoner, der udsendes under disse reaktioner, rejser til detektoren i ISS, og deres energi og position giver nøgleinformation om kernens struktur og hvordan den er bundet sammen. Disse egenskaber har en væsentlig indflydelse på r -behandle, og resultaterne kan informere vigtige beregninger i modeller af nuklear astrofysik.

 ISS bruger et banebrydende koncept foreslået af Argonne-forsker John Schiffer, der blev bygget som laboratoriets spiralformede orbitale spektrometer, HELIOS — instrumentet, der inspirerede udviklingen af ISS spektrometer. HELIOS har tilladt udforskning af nukleare egenskaber, der engang var umulige at undersøge, men takket være HELIOS, er blevet udført i Argonne siden 2008. CERNs ISOLDE -anlæg kan producere stråler af kerner, der komplementerer dem, der kan fremstilles i Argonne.

I det sidste århundrede, kernefysikere har været i stand til at indsamle information om kerner fra studiet af kollisioner, hvor lette ionstråler rammer tunge mål. Imidlertid, når tunge stråler rammer lette mål, kollisionens fysik bliver forvrænget og sværere at analysere. Argonnes HELIOS koncept var løsningen til at fjerne denne forvrængning.

"Når du har en kanonkugle af en bjælke, der rammer et skrøbeligt mål, kinematikken ændres, og de resulterende spektre komprimeres, "sagde Kay." Men John Schiffer indså, at når kollisionen sker inde i en magnet, de udsendte protoner bevæger sig i et spiralmønster mod detektoren, og ved et matematisk "trick", dette udfolder den kinematiske kompression, resulterer i et ukomprimeret spektrum, der afslører den underliggende nukleare struktur."

De første analyser af dataene fra CERN-eksperimentet bekræfter de nuværende atommodellers teoretiske forudsigelser, og teamet planlægger at studere andre kerner i regionen ²⁰⁷ Hg ved at bruge disse nye muligheder, give dybere indsigt i de ukendte områder af kernefysikken og r -behandle.

Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort i en artikel med titlen "First exploration of neutron shell structure below lead and beyond N =126" den 13. februar i Fysiske anmeldelsesbreve .