Forskere genskaber kosmiske reaktioner for at låse op for astronomiske mysterier

Hvordan gør de kemiske elementer, byggestenene i vores univers, blive bygget? Dette spørgsmål har været kernen i atomfysikken i en bedre del af et århundrede.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, forskere opdagede, at grundstoffer har en central kerne eller kerne. Disse kerner består af forskellige antal protoner og neutroner.

Nu, forskere ved Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) har bygget og testet en enhed, der tillader afgørende indsigt i tunge elementer, eller elementer med et meget stort antal protoner og neutroner. Ben Kay, fysiker ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, ledet denne indsats. FRIB er et DOE Office of Science User Facility.

Kay og hans team har afsluttet deres første eksperiment ved hjælp af enheden, kaldet SOLARIS, som står for Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Planlagte eksperimenter afslører oplysninger om atomreaktioner, der skaber nogle af de tungeste elementer i vores verden, lige fra jern til uran.

Også planlagt er eksperimenter med eksotiske isotoper. Isotoper er elementer, der deler samme antal protoner, men har forskellige antal neutroner. Forskere omtaler visse isotoper som eksotiske, fordi deres forhold mellem protoner og neutroner adskiller sig fra de for typisk stabile eller langlivede isotoper, der forekommer naturligt på Jorden. Nogle af disse ustabile isotoper spiller en væsentlig rolle i astronomiske begivenheder.

"Eksploderende stjerner, sammenlægningen af ​​gigantiske kollapsede stjerner, vi lærer nu detaljer om de atomreaktioner, der er kernen i disse begivenheder, "sagde Kay." Med SOLARIS, vi er i stand til at genskabe disse reaktioner her, på jorden, at se dem selv. "

Den nye enhed følger i HELIOS fodspor, Helical Orbit Spectrometer, i Argonne. Begge bruger lignende genanvendte superledende magneter fra en magnetisk resonansbilleddannende maskine (MRI) som den, der findes på hospitaler. I begge, en stråle af partikler bliver skudt mod et målmateriale inde i et vakuumkammer. Når partiklerne kolliderer med målet, overførselsreaktioner forekommer. I sådanne reaktioner, neutroner eller protoner fjernes enten eller tilføjes fra kerner, afhængigt af partiklerne, og deres energier, brugt ved sammenstødet.

"Ved at registrere energien og vinklen på de forskellige partikler, der frigives eller afbøjes fra kollisionerne, vi er i stand til at indsamle oplysninger om kernernes struktur i disse isotoper, "sagde Kay." Det innovative SOLARIS -design giver den nødvendige opløsning for at forbedre vores forståelse af disse eksotiske kerner. "

Det, der gør SOLARIS virkelig unikt, er, at det kan fungere som et dual-mode spektrometer, hvilket betyder, at den kan foretage målinger med enten høje eller meget lave intensitetsstråler. "SOLARIS kan fungere i disse to tilstande, "forklarede Kay." Man bruger en traditionel siliciumdetektormatrix i et vakuum. Den anden bruger det nye gasfyldte mål for Active-Target Time-Projection Chamber i Michigan State, ledet af SOLARIS -teammedlem og FRIB seniorfysiker Daniel Bazin. Dette første eksperiment testede AT-TPC. "AT-TPC gør det muligt for forskere at bruge svagere stråler og stadig indsamle resultater med den nødvendige høje nøjagtighed.

AT-TPC er i det væsentlige et stort kammer fyldt med en gas, der fungerer som både målet for strålen og detektormediet. Dette adskiller sig fra det traditionelle vakuumkammer, der bruger et siliciumdetektormatrix og et separat, tynd, fast mål.

"Ved at fylde kammeret med gas, du sikrer, at jo færre, større partikler fra lavintensitetsstrålen vil komme i kontakt med målmaterialet, "sagde Kay. På den måde, forskerne kan derefter studere produkterne fra disse kollisioner.

Teamets første eksperiment, ledet af forskningsassistent Clementine Santamaria fra FRIB, undersøgte forfaldet af ilt-16 (den mest almindelige isotop af ilt på vores planet) til meget mindre alfapartikler. I særdeleshed, de otte protoner og otte neutroner i oxygen-16 kerner bryder op i i alt fire alfapartikler, hver består af to protoner og to neutroner.

"Ved at bestemme, hvordan ilt-16 henfalder på denne måde, der kan foretages sammenligninger med 'Hoyle -tilstanden, 'en ophidset tilstand af en kulstofisotop, som vi mener spiller en nøglerolle i produktionen af ​​kulstof i stjerner, "forklarede Kay.

Kay og hans team registrerede over to millioner reaktionshændelser under dette eksperiment og observerede flere tilfælde af henfald af oxygen-16 i alfapartikler.

SOLARIS dobbelte funktionalitet giver mulighed for en endnu bredere vifte af atomreaktionsforsøg end tidligere, og give forskere ny indsigt i nogle af kosmos største mysterier.