Måling af ladningsradier af eksotiske kobberisotoper

Forskere ved Instituut voor Kern-en Stralingsfysica i Belgien og University of Manchester, i samarbejde med andre institutter verden over, har for nylig udført en undersøgelse med det formål at måle størrelsen af ​​kernen (dvs. nuklear ladningsradius) i neutronrige kobberisotoper. Deres papir, udgivet i Naturfysik , præsenterer observationer af et karakteristisk og interessant ulige-lige svimlende mønster i størrelsen af ​​disse isotopers kerner.

"Den ulige-lige svimlende effekt, vi observerede, hvor kernen med et ulige antal neutroner normalt er en smule mindre i størrelse end deres naboer med lige neutroner, er mere eller mindre konstant i de fleste isotopiske kæder, " Ruben Pieter de Groote, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I kobber, imidlertid, vi bemærkede en forbedret ulige-lige forskydning for isotoper med cirka 40 neutroner, som så så ud til at forsvinde, når man nærmede sig 50 neutroner."

At få en grundig forståelse af det ulige-lige svimlende mønster observeret af de Groote og hans kolleger er langt fra en nem opgave, kompliceret yderligere af det faktum, at dette mønster viste sig at være neutronafhængig, hvilket var noget uventet. For at udforske de mulige årsager bag den effekt, de observerede, forskerne udførte en række banebrydende beregninger baseret på nuklear teori og sammenlignede derefter resultaterne af disse beregninger med de eksperimentelle data, de indsamlede.

"Den sværeste isotop at udføre målinger for, ⁷⁸ Cu, har 29 protoner og 49 neutroner, hvilket gør det til en meget kompliceret kerne at studere, både eksperimentelt og beregningsmæssigt, " sagde de Groote. "Men, vi følte, at vores eksperimentelle resultat var vigtigt nok til at overbevise to teorisamarbejdspartnere til at forfølge to ret forskellige teoretiske metoder, en baseret på tæthedsfunktioner og den anden baseret på valens-rum i-medium lighedsrenormaliseringsgruppemetoden, som præsenterer en 'ab-initio' beskrivelse for mellemtunge kerner."

De to teoretiske tilgange, som forskerne brugte i deres undersøgelse, viste sig nyttige til at forklare forskellige aspekter af de målinger, de indsamlede. Mens beregninger baseret på tæthedsfunktionel teori forudsagde bulkegenskaber (f.eks. de samlede nukleare størrelser) med bemærkelsesværdig høj nøjagtighed, metoden med rod i valens-rum i-medium lighedsrenormaliseringsgruppeteori gav en detaljeret beskrivelse af den generelle tendens for den ulige-lige svimlende effekt, da den tog højde for yderligere sammenhænge.

"Vores beregninger viste, at begge teorier indeholder væsentlige ingredienser til at beskrive nuklear struktur, men at der stadig er arbejde at gøre - vi har stadig ikke en enkelt tilgang, der kan klare det hele, " forklarede de Groote.

I deres nylige undersøgelse, forskerne fokuserede på kobberisotoper med meget korte levetider. For eksempel, levetiden af ⁷⁸ Cu, en af ​​de isotoper, der blev undersøgt i deres arbejde, er på 300 millisekunder, hvilket betyder, at et sekund efter den er produceret, vil isotopen højst sandsynligt allerede være forsvundet. De var derfor nødt til at bruge teknikker, der gjorde det muligt for dem at producere og undersøge isotoper meget hurtigt, før de forfaldt.

"Det, der er meget vigtigt, når man studerer radioaktive isotoper, er, at metoderne er hurtige og effektive - der er ikke tid til at indsamle en stor prøve af isotoper, for så stille og roligt at studere dem senere, " sagde de Groote. "Målinger skal udføres 'on-line'; vores måleværktøjer og detektorer skal kobles til produktionsstedet og arbejde i perfekt synkronicitet."

De Groote og hans kolleger brugte en partikelaccelerator kendt som CERN PS-Booster, som kan producere protoner med en meget høj energi. Disse protoner blev rettet til ISOLDE-anlægget i CERN, hvor de ramte et stykke uran, inducerer en række forskellige nukleare reaktioner.

De nukleare reaktioner som følge af denne proces førte til produktion af isotoper over hele spektret, lige fra lette heliumatomer til meget tunge grundstoffer, såsom radium. De kobberisotoper, som forskerne satte sig for at studere, var blandt disse, men de skulle udvindes fra det store udvalg af isotoper og renses.

"Uran blev varmet op til omkring 2000 grader Celsius af ISOLDE-teamet, så disse nyproducerede isotoper ikke holdt fast, men i stedet flygtede ind i en ionkilde:her, de blev omdannet til ladede ioner, " forklarede de Groote. "Dette er et afgørende skridt, da det giver os mulighed for at bruge elektrostatiske og magnetiske teknikker til at accelerere alle isotoper, vælg dem af interesse, og guide dem til forskellige måleopsætninger på ISOLDE-faciliteten."

For at måle størrelsen af ​​kobberisotoperne, forskerne belyste dem med to separate laserstråler. Ved at indstille frekvensen af ​​den første laser på den helt rigtige måde, de var i stand til at excitere en elektron, der er bundet til kernen. Den anden laserstråle blev derefter brugt til at 'skrælle' denne exciterede elektron af.

"Ved at måle antallet af ladede partikler skabt, da vi ændrede laserens frekvens, vi kunne bestemme den nøjagtige absorptionsenergi af kobberatomerne, " sagde de Groote. "Denne absorptionsenergi er direkte relateret til de nukleare størrelser; skiftet i energi kaldes isotopskiftet - en lille farveændring på så lavt som 1 del i en million; intet som øjet kunne se, men noget, som vores system er følsomt over for."

Måleteknikken brugt af de Groote og hans kolleger, kendt som collineær resonans ioniseringsspektroskopi, er et yderst effektivt og præcist værktøj til at måle skift i energi i atomer. Deres eksperimentelle opsætning er meget sofistikeret, og den er afhængig af alle dens forskellige komponenter (dvs. en stor partikelaccelerator, ultrastabile lasersystemer, højpræcision laser frekvens måleværktøjer, ionfælder, ultrahøjvakuumpumper og højspændingsstrømforsyninger, osv.) at operere i symfoni.

I deres undersøgelse, forskerne brugte det til at identificere 'isotopskift' i 14 forskellige kobberisotoper. Måling af disse skift tillod dem i sidste ende at bestemme ændringer i deres størrelse, som funktion af antallet af neutroner i deres kerne.

"Den mest udfordrende isotop blev kun produceret med en hastighed på 20 ioner i sekundet, og i alt kun omkring 200, 000 ioner blev brugt til at udføre målingen, " sagde de Groote. "Den samlede masse af denne prøve, hvis du kunne samle det hele før det radioaktivt henfaldt, ville være 0,00000000003 mikrogram - sammenlignet med typiske objekter, vi er vant til at interagere med, det er en utrolig lille mængde ting."

Teknikken, som de Groote og hans kolleger anvender, giver forskere mulighed for at studere isotoper, der i øjeblikket kun kan produceres i små mængder, og som også er langt mere effektiv end andre højpræcisionsmåleværktøjer udviklet i fortiden. I fremtiden, deres metode kan have en række vigtige implikationer for forskning i nuklear struktur, da mange interessante isotoper er ustabile og derfor kun kan produceres i små mængder.

"Vores resultater viser, at mange af disse kerner nu kan studeres, " siger de Groote. "Yderligere forbedringer af vores metode vil skubbe denne grænse endnu længere. I særdeleshed, vores teknik giver os nu mulighed for at nærme os kerner, der forudsiges at blive produceret i super- og kilonovaer og endnu ikke er blevet undersøgt på jorden i laboratoriet. Tilsvarende de teoretiske værktøjer, der blev udviklet, repræsenterer også vigtige milepæle inden for nuklear teori."

Ud over at introducere en ny teknik til at måle størrelsen af ​​kerner i isotoper med kort levetid, de Groote og hans kolleger beviste effektiviteten af ​​teoretiske konstruktioner baseret på tæthedsfunktioner og valens-rum i-medium lighedsrenormaliseringsgruppemetoden til undersøgelser, der udforsker strukturen af ​​isotoper med ustabile kerner. Deres undersøgelse kaster lidt lys over fordele og ulemper ved disse teoretiske rammer, som kunne udforskes yderligere i fremtidige undersøgelser.

"For denne undersøgelse, vi plukkede kobber, da den har 29 protoner, " de Groote. "Dette gør disse isotoper perfekte sonder til at undersøge den underliggende nikkel (28 protoner) kerne. ⁷⁸ Ni (28 protoner, 50 neutroner) menes at være en dobbelt magisk kerne. Der er kun meget få af disse dobbeltmagiske, lukkede skalsystemer, og de danner hjørnesten for forskning i nuklear struktur, som ædelgasserne til atomfysik."

De Groote og hans kolleger arbejder i øjeblikket på en ny undersøgelse med fokus på neutronrige kaliumisotoper, som har 19 protoner og er således fremragende prober af magiske calciumisotoper (dvs. med 20 protoner). De har allerede udført indledende beregninger af ladningsradierne for disse isotoper og planlægger nu at undersøge disse resultater mere i dybden.

"På længere sigt, en målekampagne på indium- og tinisotoper, tæt på det dobbeltmagiske ¹⁰⁰ Sn og ¹³² Sn isotoper, allerede var påbegyndt, og vil blive forfulgt i de kommende år, " siger de Groote. "Disse isotoper er på den nuværende grænse for nukleare teorier; eksperimentelle og teoretiske indsatser skrider således pænt frem i takt."

De Groote og hans kolleger er også begyndt at bruge den samme eksperimentelle metode, som blev introduceret i deres seneste papir til at studere radioaktive molekyler. For eksempel, de afsluttede for nylig den allerførste spektroskopiske undersøgelse af radiumfluorid, et molekyle, der indeholder et radioaktivt radiumatom.

"Da der ikke er nogen stabile radiumisotoper, dette molekyle kunne aldrig studeres før, " forklarede de Groote. "Dette er særligt spændende, da det kan være nøglen til den næste generation af forskning for fysik ud over standardmodellen."

© 2020 Science X Network