GRETA, en 3-D gammastråledetektor, får grønt lys for at komme videre

Indsatsen på at konstruere GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array), en banebrydende sfærisk række af germaniumkrystaller med høj renhed, der vil måle gammastrålesignaler for at afsløre nye detaljer om atomkernernes struktur og indre funktion, har modtaget vigtige godkendelser, der er nødvendige for at fortsætte mod fuld udbygning.

GRETA, som også vil give ny indsigt om stoffets natur og hvordan stjerner skaber elementer, forventes at nå den første fase af færdiggørelsen i 2023, og for at opnå den endelige færdiggørelse i 2025. Det bygger på det eksisterende GRETINA-instrument (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), afsluttet i 2011, som har færre gammastråledetekterende krystaller. Gammastråler er meget energiske, gennemtrængende former for lys, der udsendes som ustabile atomkerner, henfalder til mere stabile kerner.

Det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har haft en lederrolle i både GRETINA og GRETA, og Berkeley Labs kernefysikere og ingeniører arbejder med teams på Argonne og Oak Ridge nationale laboratorier, og Michigan State University, i udviklingen af ​​GRETA.

På onsdag, 7. okt. 2020, DOE-embedsmænd godkendte nøglemilepæle for GRETA-projektet, herunder arbejdets omfang og dets tidsplan, og de endelige byggetekniske planer, der vil lede projektet igennem til færdiggørelse. De formelle godkendelsestrin er kendt som Critical Decision 2 og Critical Decision 3 (CD-2 og CD-3).

"Godkendelserne var en stor præstation for projektet og teamet. Det markerer den vellykkede afslutning af det endelige design, og demonstrerer, at vi er klar til at bygge arrayet, " sagde Paul Fallon, GRETA-projektdirektør og seniorforsker i Berkeley Labs Nuclear Science Division. Et vigtigt næste skridt er at fremstille komplekset, meter bred aluminiumskugle, der skal huse detektorerne.

Ny brugerfacilitet vil sætte GRETA i gang

GRETINA, og senere GRETA, vil blive installeret på Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), når den facilitet starter i drift i 2022. Den 29. september FRIB blev officielt udpeget som det nyeste medlem af DOE Office of Sciences brugerfaciliteter. Der er nu 28 af disse brugerfaciliteter, som er tilgængelige for forskere fra hele landet og rundt om i verden. Allerede, anslået 1, 400 videnskabelige brugere står i kø for at deltage i kernefysiske eksperimenter på FRIB, når først anlægget starter op i 2022. Stadig under opførelse, FRIB er omkring 94 % gennemført.

GRETINA er udstyret med 12 detektormoduler og 48 detektorkrystaller, og GRETA vil tilføje 18 flere detektormoduler, for i alt 30 moduler og 120 krystaller. Omkring 18-20 detektormoduler forventes at blive installeret i GRETA inden udgangen af ​​2024, med de sidste moduler installeret i 2025.

Når strålerne af sjældne isotoper produceret ved FRIB rammer et fast mål, de kan gennemgå en række kernereaktioner. Disse reaktioner kan producere endnu flere eksotiske kerner, der udsender en sekvens af gammastråler, som giver information om deres interne nukleare struktur. Isotoper er varianter af grundstoffer, der har det samme antal positivt ladede protoner i deres kerner, men har flere eller færre uladede partikler kaldet neutroner sammenlignet med standardformen af ​​et grundstof.

GRETA vil fuldt ud omgive disse mål for at give utroligt detaljerede data om 3D-retningen og energien af ​​gammastråler, der udbreder sig gennem dets detektorer. Ultrahurtig elektronik vil gøre det muligt for detektorerne at fange op til 50, 000 signaler i sekundet i hver krystal, og en dedikeret computerklynge vil udføre signalbehandling i realtid på op til 480, 000 gammastråleinteraktioner pr. sekund, der detekteres inden for GRETA-sfæren.

FRIB bliver udstyret med en kraftig accelerator, der kan producere partikelstråler fra grundstoffer så tunge som uran, og vil have evnen til at skabe og studere mere end 1, 000 nye isotoper ved at sprænge mål med højenergistråler.

GRETA er designet til at være fleksibel, så den kan rumme en bred vifte af instrumentering til eksperimenter, og også flytbar, så den kan bruges på forskellige forsøgssteder på FRIB og andre faciliteter. "GRETA er optimeret til den brede vifte af videnskab på FRIB, " sagde Fallon, og vil også blive brugt på Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) ved Argonne National Laboratory.

GRETA vil være nøglen til mange eksperimenter på FRIB - omkring to tredjedele af de planlagte forskningsmål på FRIB vil bruge GRETA-detektoren, sagde Fallon.

Eksperimenter vil studere kerner i ekstremerne, og med større følsomhed

Blandt dets anvendelser vil være at studere de mest neutronrige former for isotoper, før de bliver ustabile. Denne yderlighed omtales som neutron-"dryplinjen, "Da den repræsenterer den sidste stabile form af en isotop, før den ikke kan bære flere neutroner, og dens kerne begynder at "dryppe" eller udsende neutroner.

GRETA vil også blive brugt til at identificere kerner, der udviser pærelignende former. Sådanne eksperimenter vil hjælpe videnskabsmænd med at lære grænserne for de mest ekstreme egenskaber ved atomkerner, give nøgledata om deres oprettelse, og identificere nye kerner, der tester vores forståelse af naturens grundlæggende vekselvirkninger og kræfter, der styrer stoffets struktur.

Sammen, FRIB og GRETA vil have 10 til 100 gange større følsomhed i nuklearvidenskabelige eksperimenter, end det er muligt med eksisterende acceleratorer og detektorer, Fallon bemærkede.

GRETA vil blive bygget, samlet, og testet på Berkeley Lab, før de blev sendt til FRIB. Berkeley Lab ledede udviklingen af ​​detektorerne til projektet og er ansvarlig for at overvåge deres levering, og leder også design og fremstilling af GRETAs signalbehandlingselektronik, computer, og mekaniske systemer; Argonne Lab udvikler elektronikken relateret til dets trigger- og timingsystemer; Michigan State University er ansvarlig for at karakterisere ydeevnen af ​​dets detektorer; og Oak Ridge Lab er ansvarlig for signalbehandlingen i realtid for at lokalisere gammastråleinteraktionerne i GRETA-krystallerne.

Efter GRETA er afsluttet, Berkeley Lab vil fortsat spille en rolle i dets elektronik, computer, og opgraderinger, og ved at omkonfigurere instrumentet til eksperimenter. Omkring 25 Berkeley Lab-videnskabsmænd og ingeniører er involveret i GRETA-projektet, sagde Fallon.