Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion uusi laite on tehnyt erittäin tarkkoja mittauksia epästabiileista ruteeniytimistä. Mittaukset ovat merkittävä virstanpylväs ydinfysiikassa, koska ne vastaavat tarkasti kehittyneiden ydinmallien ennusteita.
"Teoreettisten mallien on erittäin vaikea ennustaa monimutkaisten, epävakaiden ytimien ominaisuuksia", sanoi Bernhard Maass, Argonnen apulaisfyysikko ja tutkimuksen johtava kirjoittaja. "Olemme osoittaneet, että edistyneiden mallien luokka pystyy tekemään tämän tarkasti. Tuloksemme auttavat mallien validoinnissa."
Mallien validointi voi rakentaa luottamusta niiden astrofysikaalisia prosesseja koskeviin ennusteisiin. Näitä ovat tähtien muodostuminen, evoluutio ja räjähdykset, joissa elementtejä syntyy.
Tutkimus julkaistiin vuonnaPhysical Review Letters.
Tarve validoida teoreettiset mallit
Ydinfyysikot kehittävät kehittyneempiä teoreettisia malleja ennustaakseen tarkasti epävakaiden atomiytimien ominaisuuksia, joilla on monimutkaisia rakenteita, muotoja ja voimia. Tällaisilla malleilla on potentiaalia syventää ymmärrystämme atomiytimien sisäisestä toiminnasta.
On kuitenkin välttämätöntä osoittaa näiden mallien tarkkuus ennen kuin niitä voidaan käyttää tieteen rajojen työntämiseen. Tämä vaatii vaikean tehtävän kerätä tarkkoja, todellisia mittauksia-monimutkaisista ytimistä ja vertailla mittauksia mallien ennusteisiin.
Rutenium on ihanteellinen elementti kehittyneiden teoreettisten mallien validointiin. Tässä harvinaisessa metallissa on isotooppeja-saman alkuaineen atomeja, joilla on eri määrä neutroneja ja vaihteleva stabiilisuus,-joissa tiedetään olevan monimutkaisia rakenteellisia ja muotoisia ytimiä. On olemassa joukko epävakaita, radioaktiivisia rutenium-isotooppeja, joiden uskotaan olevan kolmiakselinen muoto, joka muistuttaa mantelia tai kahvipapua.
Ruteniumin ominaisuuksien mittaaminen
Tutkimusryhmä käytti Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) -laitetta yhdeksän radioaktiivisen rutenium-isotoopin mittaamiseen. Tämä uusi laite asennettiin Argonne Tandem Linac Accelerator Systemiin (ATLAS).
ATLAS on Argonnen DOE-käyttäjälaitos, jossa on suprajohtava lineaarinen kiihdytin, joka on suunniteltu tutkimaan ytimien ominaisuuksia.
Tutkijat pääsivät radioaktiivisiin rutenium-isotoopeihin toisesta ATLAS-instrumentista, Californium Rare Isotope Breeder Upgradesta (CARIBU). CARIBU voi toimittaa radioaktiivista ruteenia halkeamalla pienen määrän kaliforniumia{1}}harvinainen, erittäin radioaktiivinen alkuaine.
"Tutkimamme ruteeni-isotoopit kestävät vain sekunnin ennen kuin ne hajoavat muiksi alkuaineiksi", Maass sanoi. "ATLANTIS suorittaa kollineaarista laserspektroskopiaksi kutsuttua tekniikkaa. Sen avulla voimme kerätä mittauksia erittäin pienistä määristä näitä isotooppeja alle sekunnissa."
ATLANTIS-tekniikan avulla tutkijat ohjasivat lasersäteen samaa reittiä kuin ruteeniatomien säde. Tietyillä lasertaajuuksilla atomit virittyivät ja alkoivat fluoresoida, mikä osoitti, että valofotoneja säteili. Ryhmä tunnisti lasertaajuudet, joilla fotonipäästöt saavuttivat huippunsa. Tämä prosessi toistettiin yhdeksälle rutenium-isotoopille. Jokaisen isotoopin emissiohuippu siirtyi hieman eri taajuudelle.
"Voimme käyttää tätä isotooppisiirtoa johtamaan erot isotooppien ydinkooissa", Maass sanoi.
Tiimi vertasi näitä kokomuutoksia Brysselin-Skyrme-ennusteisiin -a-Grid (BSkG) -malleilla, jotka ovat maailman edistyneimpiä ydinrakenteiden joukossa. Toisin kuin vanhemmat, perinteiset ydinmallit, ne selittävät ytimen kaikkien neutronien ja protonien väliset erityisvoimat ja vuorovaikutukset.
Tutkijat löysivät erinomaisen sopivuuden tulosten ja BSkG-mallien ennusteiden välillä, mikä viittaa mallien kestävyyteen.
Erityisesti yrittäessään mahdollistaa tarkkoja mittauksia tiimi kehitti myös kolineaarista laserspektroskopiatekniikkaa. Erityisesti he kehittivät ja ottivat käyttöön tehokkaita uusia tekniikoita, jotka neutraloivat atomisäteen ja "niputtivat" sen pulsseiksi.
Tutustu tieteen, tekniikan ja avaruuden uusimpiin uutuuksiin100 000 tilaajaajotka luottavat Phys.orgin päivittäisiin oivalluksiin. Tilaa ilmainen uutiskirjeemme ja saat päivityksiä tärkeistä läpimurroista, innovaatioista ja tutkimuksesta-päivittäin tai viikoittain.
Tilaa
Vaikutukset astrofysiikkaan
Tutkimus osoitti, että BSkG-mallit voivat ennustaa epävakaita, kolmiakselisia ytimiä huomattavalla tarkkuudella. Tällaiset tehokkaat mallit voivat auttaa astrofyysikoita valaisemaan maailmankaikkeuden toimintaa.
"Astrofyysikot tietävät, että epävakailla radioaktiivisilla ytimillä on tärkeä rooli tähtien ja alkuaineiden muodostumisessa universumissa", Maass sanoi.
"Ymmärtääksemme paremmin maailmankaikkeuttamme, meidän on tiedettävä, kuinka ytimet rakentuvat ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa. Meidän on kyettävä ennustamaan eksoottisten ytimien ominaisuuksia, joita ei voida tuottaa nykyaikaisilla hiukkaskiihdyttimillä."
Kolme tutkimuksen kirjoittajista kehitti BSkG-malleja: Wouter Ryssens ja Guilherme Grams, molemmat Université libre de Bruxellesista Belgiasta, ja Michael Bender Institut de Physique des 2 Infinis de Lyonista Ranskasta.
Maassin, Ryssensin, Gramsin ja Benderin lisäksi ATLANTIS-kokeet ja -rakennus tehtiin yhteistyössä Argonnen (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago{0}}Gonzalez, Guy Savard ja Adrian Valverde), Darmstadtin teknillisen yliopiston Raams Isotchiopessa, Saksassa ja Fagancíope-yliopiston tutkijoiden kanssa.
ATLANTIS on käytettävissä yhteistyössä toimiville instituutioille kolineaarisen laserspektroskopian mittausten tekemiseen erilaisiin tutkimustarpeisiin. Ota yhteyttä Maassiin tutkiaksesi yhteistyömahdollisuuksia.
