Forståelse af astrofysik med laseraccelererede protoner

At bringe enorme mængder af protoner op i hastighed på den korteste afstand i brøkdele af et sekund - det er hvad laseraccelerationsteknologi, stærkt forbedret i de senere år, kan gøre. Et internationalt forskerhold fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung og Helmholtz Institute Jena, en gren af ​​GSI, i samarbejde med Lawrence Livermore National Laboratory, OS., har haft held med at bruge protoner accelereret med GSI højeffektlaseren PHELIX til at splitte andre kerner og analysere dem. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Naturvidenskabelige rapporter og kunne give ny indsigt i astrofysiske processer.

I mindre end et picosekund (en trilliontedel af et sekund), PHELIX laseren skinner sin ekstremt intense lyspuls på en meget tynd guldfolie. Dette er nok til at udstøde omkring en billion brintkerner (protoner), som kun er lidt knyttet til guldet, fra bagsiden af ​​folien, og accelerer dem til høje energier. "Så stort antal protoner på så kort tid kan ikke opnås med standard accelerationsteknikker, " forklarer Pascal Boller, som forsker i laseracceleration i GSI-forskningsafdelingen Plasma Physics/PHELIX som en del af sine kandidatstudier. "Med denne teknologi, Der kan åbnes helt nye forskningsområder, som tidligere var utilgængelige."

Disse omfatter generering af nukleare fissionsreaktioner. Til dette formål, forskerne lod de frisk genererede hurtige protoner ramme prøver af uranmateriale. Uran blev valgt som casestudiemateriale på grund af dets store reaktionstværsnit og tilgængeligheden af ​​offentliggjorte data til benchmarkingformål. Prøverne skal være tæt på protonproduktionen for at garantere et maksimalt udbytte af reaktioner. Protonerne, der genereres af PHELIX-laseren, er hurtige nok til at inducere fission af urankerner til mindre fissionsprodukter, som derefter skal identificeres og måles. Imidlertid, laserpåvirkningen har uønskede bivirkninger:Den genererer en stærk elektromagnetisk puls og en gammy-stråle, der interfererer med de følsomme måleinstrumenter, der bruges til denne detektering.

På dette tidspunkt, forskerne får hjælp af ekspertise fra en anden GSI-forskningsgruppe. Til kemisk undersøgelse af supertunge grundstoffer, et transportsystem har været i brug i et stykke tid, der kan transportere de ønskede partikler over lange afstande fra reaktionsområdet til detektoren. Reaktionskammeret skylles igennem af en gas, som - ved fissionsforsøg - fører fissionsprodukterne med sig og, på få sekunder, transporterer dem via små plastikrør til måleapparatet, som nu er flere meter væk. På denne måde generering og måling kan adskilles rumligt, og interferens kan forhindres.

For første gang, det var muligt i eksperimenterne at kombinere de to teknikker og dermed generere en række forskellige cæsium, xenon og jod isotoper via spaltning af uran, at identificere dem pålideligt via deres udsendte gammastråling og observere deres korte levetid. Dette giver en metodologi til at studere fissionsreaktioner i højdensitetsplasmatilstandsstof. Sammenlignelige forhold kan findes, for eksempel, i rummet inde i stjerner, stjerneeksplosioner eller neutronstjernefusioner. "Forståelse af reaktionsprocesserne for kerner, der interagerer med hinanden i plasma, kan give os indsigt i oprindelsen af ​​atomkerner, den såkaldte nukleosyntese, i vores univers. Nukleosynteseprocesser såsom s-proces eller r-proces finder sted i netop sådanne medier, " forklarer Boller. "Den rolle fissionsreaktioner spiller i disse processer er endnu ikke blevet undersøgt i detaljer. Her, de laseraccelererede protoner kan give ny information."

Yderligere målinger med metoderne er planlagt til fremtidige eksperimenter med PHELIX-laseren på GSI såvel som på andre forskningscentre rundt om i verden. Undersøgelsen af ​​meget tæt stof med ion- og laserstråler vil også være et af de emner, der forfølges på det fremtidige forskningsanlæg FAIR. FAIR bygges i øjeblikket hos GSI i internationalt samarbejde. Med dets motto "Universet i laboratoriet, "det er beregnet til at reproducere forhold, som de forekommer i astrofysiske miljøer på Jorden, dermed udvide viden om vores kosmos.