Μια νέα συσκευή στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) πραγματοποίησε εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις ασταθών πυρήνων ρουθηνίου. Οι μετρήσεις είναι ένα σημαντικό ορόσημο στην πυρηνική φυσική επειδή ταιριάζουν πολύ με τις προβλέψεις που γίνονται από εξελιγμένα πυρηνικά μοντέλα.
«Είναι πολύ δύσκολο για τα θεωρητικά μοντέλα να προβλέψουν τις ιδιότητες των πολύπλοκων, ασταθών πυρήνων», δήλωσε ο Bernhard Maass, βοηθός φυσικός στο Argonne και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. "Έχουμε αποδείξει ότι μια κατηγορία προηγμένων μοντέλων μπορεί να το κάνει αυτό με ακρίβεια. Τα αποτελέσματά μας βοηθούν στην επικύρωση των μοντέλων."
Η επικύρωση των μοντέλων μπορεί να δημιουργήσει εμπιστοσύνη στις προβλέψεις τους σχετικά με τις αστροφυσικές διαδικασίες. Αυτά περιλαμβάνουν το σχηματισμό, την εξέλιξη και τις εκρήξεις των άστρων όπου δημιουργούνται στοιχεία.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στοΕπιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
Ανάγκη επικύρωσης θεωρητικών μοντέλων
Οι πυρηνικοί φυσικοί αναπτύσσουν πιο προηγμένα θεωρητικά μοντέλα για να προβλέψουν με ακρίβεια τις ιδιότητες ασταθών ατομικών πυρήνων με περίπλοκες δομές, σχήματα και δυνάμεις. Τέτοια μοντέλα έχουν τη δυνατότητα να εμβαθύνουν την κατανόησή μας για την εσωτερική λειτουργία των ατομικών πυρήνων.
Ωστόσο, είναι σημαντικό να αποδειχθεί η ακρίβεια αυτών των μοντέλων προτού μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν για να ωθήσουν τα σύνορα της επιστήμης. Αυτό απαιτεί το δύσκολο έργο της συλλογής ακριβών, πραγματικών-μετρήσεων σύνθετων πυρήνων και σύγκρισης των μετρήσεων με τις προβλέψεις των μοντέλων.
Το ρουθήνιο είναι ένα ιδανικό στοιχείο για την επικύρωση προηγμένων θεωρητικών μοντέλων. Αυτό το σπάνιο μέταλλο έχει ισότοπα-άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων και ποικίλη σταθερότητα-που είναι γνωστό ότι έχει πυρήνες με πολύπλοκες δομές και σχήματα. Υπάρχει μια σειρά από ασταθή, ραδιενεργά ισότοπα ρουθηνίου που πιστεύεται ότι έχουν τριαξονικό σχήμα, παρόμοιο με κόκκους αμυγδάλου ή καφέ.
Μέτρηση των ιδιοτήτων του ρουθηνίου
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τη συσκευή Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) για να μετρήσει εννέα ραδιενεργά ισότοπα ρουθηνίου. Αυτή η νέα συσκευή εγκαταστάθηκε στο Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
Το ATLAS είναι μια εγκατάσταση χρήστη DOE στο Argonne με έναν υπεραγώγιμο γραμμικό επιταχυντή σχεδιασμένο να μελετά τις ιδιότητες των πυρήνων.
Οι ερευνητές απέκτησαν πρόσβαση σε ραδιενεργά ισότοπα ρουθηνίου από ένα άλλο όργανο ATLAS, το Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). Το CARIBU μπορεί να παραδώσει ραδιενεργό ρουθήνιο μέσω σχάσης μικρής ποσότητας καλιφορνίου-ένα σπάνιο, εξαιρετικά ραδιενεργό στοιχείο.
«Τα ισότοπα ρουθηνίου που μελετήσαμε διαρκούν μόνο ένα δευτερόλεπτο πριν διασπαστούν σε άλλα στοιχεία», είπε ο Maass. "Το ATLANTIS εκτελεί μια τεχνική που ονομάζεται συγγραμμική φασματοσκοπία λέιζερ. Μας επιτρέπει να συλλέγουμε μετρήσεις σε πολύ μικρές ποσότητες αυτών των ισοτόπων σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο."
Χρησιμοποιώντας το ATLANTIS, οι ερευνητές κατεύθυναν μια δέσμη λέιζερ κατά μήκος της ίδιας διαδρομής με μια δέσμη ατόμων ρουθηνίου. Σε ορισμένες συχνότητες λέιζερ, τα άτομα διεγέρθηκαν και άρχισαν να φθορίζουν, υποδεικνύοντας ότι εκπέμπονταν φωτόνια φωτός. Η ομάδα αναγνώρισε τις συχνότητες λέιζερ στις οποίες κορυφώθηκαν οι εκπομπές φωτονίων. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε για τα εννέα ισότοπα ρουθηνίου. Για κάθε ισότοπο, η κορυφή εκπομπής μετατοπίστηκε σε ελαφρώς διαφορετική συχνότητα.
«Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μετατόπιση ισοτόπων για να εξαγάγουμε τις διαφορές στα πυρηνικά μεγέθη των ισοτόπων», είπε ο Μάας.
Η ομάδα συνέκρινε αυτές τις αλλαγές μεγέθους με προβλέψεις από τα μοντέλα Βρυξελλών-Skyrme-σε-a-Grid (BSkG), τα οποία είναι από τα πιο προηγμένα στον κόσμο για την πυρηνική δομή. Σε αντίθεση με τα παλαιότερα, παραδοσιακά πυρηνικά μοντέλα, αντιπροσωπεύουν τις συγκεκριμένες δυνάμεις και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ όλων των νετρονίων και πρωτονίων σε έναν πυρήνα.
Οι ερευνητές βρήκαν εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων τους και των προβλέψεων από τα μοντέλα BSkG, υποδεικνύοντας την ευρωστία των μοντέλων.
Συγκεκριμένα, προσπαθώντας να επιτρέψει ακριβείς μετρήσεις, η ομάδα προχώρησε επίσης στην τεχνολογία συγγραμμικής φασματοσκοπίας λέιζερ. Συγκεκριμένα, ανέπτυξαν και εφάρμοσαν αποτελεσματικές νέες τεχνικές που εξουδετερώνουν την δέσμη του ατόμου και τη «μαζεύουν» σε παλμούς.
Ανακαλύψτε τα πιο πρόσφατα στην επιστήμη, την τεχνολογία και το διάστημα με το over100.000 συνδρομητέςπου βασίζονται στο Phys.org για καθημερινές πληροφορίες. Εγγραφείτε στο δωρεάν ενημερωτικό μας δελτίο και λάβετε ενημερώσεις σχετικά με σημαντικές ανακαλύψεις, καινοτομίες και έρευνες-καθημερινά ή εβδομαδιαία.
Συνεισφέρω
Επιπτώσεις για την αστροφυσική
Η μελέτη έδειξε ότι τα μοντέλα BSkG μπορούν να κάνουν προβλέψεις ασταθών, τριαξονικών πυρήνων με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Τέτοια ισχυρά μοντέλα μπορεί να βοηθήσουν τους αστροφυσικούς να ρίξουν φως στο πώς λειτουργεί το σύμπαν.
«Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν ότι οι ασταθείς, ραδιενεργοί πυρήνες παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των αστεριών και των στοιχείων στο σύμπαν», είπε ο Μάας.
"Για να κατανοήσουμε καλύτερα το σύμπαν μας, πρέπει να γνωρίζουμε πώς είναι δομημένοι οι πυρήνες και πώς αλληλεπιδρούν. Πρέπει να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε τις ιδιότητες των εξωτικών πυρήνων που δεν μπορούν να παραχθούν σε σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων."
Τρεις από τους συγγραφείς της μελέτης ανέπτυξαν τα μοντέλα BSkG: οι Wouter Ryssens και Guilherme Grams, και οι δύο από το Université libre de Bruxelles στο Βέλγιο, και ο Michael Bender από το Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon στη Γαλλία.
Εκτός από τους Maass, Ryssens, Grams και Bender, τα πειράματα και η κατασκευή του ATLANTIS ήταν μια συνεργασία μεταξύ ερευνητών από την Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard και Adrian Valverde), το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Γερμανίας για το Isreoto στο Darmsstad. Κρατικό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.
Το ATLANTIS είναι διαθέσιμο για συνεργαζόμενα ιδρύματα για την εκτέλεση μετρήσεων συγγραμμικής φασματοσκοπίας λέιζερ για μια ποικιλία ερευνητικών αναγκών. Για να εξερευνήσετε ευκαιρίες συνεργασίας, επικοινωνήστε με τον Maass.
