Взвешивание происхождения тяжелых элементов

Давняя загадка в области ядерной физики заключается в том, почему Вселенная состоит из конкретных материалов, которые мы видим вокруг нас. Другими словами, почему это сделано из «этого» материала, а не из другого материала?

Особый интерес представляют физические процессы, ответственные за производство тяжелых элементов, таких как золото, платина и уран, которые, как считается, происходят во время слияния нейтронных звезд и взрывных звездных событий.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США провели международный эксперимент по ядерной физике, проведенный в CERN, Европейской организации ядерных исследований, в которой используются новые методы, разработанные в Аргонне, для изучения природы и происхождения тяжелых элементов во Вселенной. Исследование может дать критическое представление о процессах, которые работают вместе, чтобы создать экзотические ядра, и оно будет информировать модели звездных событий и ранней Вселенной.

Ядерные физики в сотрудничестве первыми наблюдают структуру нейтронной оболочки ядра с меньшим количеством протонов, чем у свинца, и более 126 нейтронов — «магических чисел» в области ядерной физики.

При этих магических числах, из которых 8, 20, 28, 50 и 126 являются каноническими значениями, ядра обладают повышенной стабильностью, так же как и благородные газы с закрытыми электронными оболочками. Ядра с нейтронами выше магического числа 126 в основном не исследованы, потому что их трудно произвести. Знание их поведения имеет решающее значение для понимания процесса быстрого захвата нейтронов, или r -процесса , который производит многие из тяжелых элементов во вселенной.

Предполагается, что r- процесс протекает в экстремальных звездных условиях, таких как слияния нейтронных звезд или сверхновых звезд. В этих богатых нейтронами средах ядра могут быстро расти, захватывая нейтроны для производства новых и более тяжелых элементов, прежде чем они смогут распасться.

Этот эксперимент сфокусирован на изотопе ртути ²⁰⁷ Hg. Исследование ²⁰⁷ Hg могло бы пролить свет на свойства его ближайших соседей, ядер, непосредственно вовлеченных в ключевые аспекты r- процесса.

«Одним из самых больших вопросов этого столетия было то, как элементы сформировались в начале вселенной», — сказал физик Аргонн Бен Кей, ведущий ученый в исследовании. «Трудно исследовать, потому что мы не можем просто выкопать сверхновую из Земли, поэтому мы должны создать эту экстремальную среду и изучить реакции, которые происходят в них».

Чтобы изучить структуру ²⁰⁷ Hg, исследователи сначала использовали установку HIE-ISOLDE в CERN в Женеве, Швейцария. Высокоэнергетический пучок протонов был направлен на расплавленную свинцовую мишень, и в результате столкновения образовались сотни экзотических и радиоактивных изотопов.

Затем они отделили ядра ²⁰⁶ Hg от других фрагментов и использовали ускоритель HIE-ISOLDE в ЦЕРН для создания пучка ядер с самой высокой энергией, когда-либо достигнутой на этом ускорителе. Затем они сфокусировали луч на мишени из дейтерия внутри нового Соленоидального спектрометра ISOLDE (ISS).

«Никакой другой объект не может создать пучки ртути из этой массы и ускорить их до этих энергий», — сказал Кей. «Это в сочетании с выдающейся разрешающей способностью МКС позволило нам впервые наблюдать спектр возбужденных состояний при ²⁰⁷ Hg».

МКС — это недавно разработанный магнитный спектрометр, который физики-ядерщики использовали для обнаружения случаев, когда ядра ²⁰⁶ Hg захватывают нейтрон и становятся ²⁰⁷ Hg. Соленоидальный магнит спектрометра представляет собой переработанный сверхпроводящий магнит МРТ 4-Тесла из больницы в Австралии. Он был перенесен в CERN и установлен в ISOLDE благодаря сотрудничеству под руководством Великобритании между Ливерпульским университетом, Манчестерским университетом, Лабораторией Дарсбери и сотрудниками KU Leuven в Бельгии.

Дейтерий, редкий тяжелый изотоп водорода, состоит из протона и нейтрона. Когда ²⁰⁶ Hg захватывает нейтрон от дейтериевой мишени, протон отскакивает. Протоны, испускаемые во время этих реакций, попадают на детектор в МКС, и их энергия и положение дают ключевую информацию о структуре ядра и о том, как оно связано друг с другом. Эти свойства оказывают существенное влияние на r- процесс, и результаты могут помочь в важных вычислениях в моделях ядерной астрофизики.

МКС использует новаторскую концепцию, предложенную выдающимся научным сотрудником Аргонн Джоном Шиффером, которая была создана как спиральный орбитальный спектрометр лаборатории, HELIOS — инструмент, который вдохновил на разработку спектрометра МКС. ГЕЛИОС позволил исследовать ядерные свойства, которые когда-то было невозможно изучить, но благодаря ГЕЛИОСу, проводимому в Аргонне с 2008 года. Установка ISOLDE в ЦЕРНе может производить пучки ядер, которые дополняют те, которые могут быть получены в Аргонне.

В течение прошлого столетия физики-ядерщики смогли собрать информацию о ядрах, изучая столкновения, когда пучки легких ионов поражают тяжелые цели. Однако, когда тяжелые лучи попадают в легкие цели, физика столкновения становится искаженной и более трудной для анализа. Концепция Аргонна HELIOS была решением для устранения этого искажения.

«Когда вы получаете пушечное ядро ​​луча, поражающего хрупкую цель, кинематика меняется, и результирующие спектры сжимаются», — сказал Кей. «Но Джон Шиффер понял, что когда столкновение происходит внутри магнита, испускаемые протоны движутся по спирали в направлении детектора, и с помощью математического« трюка »это разворачивает кинематическое сжатие, в результате чего получается несжатый спектр, который раскрывает лежащий в основе ядерный элемент. структура.»

Первые анализы данных эксперимента CERN подтверждают теоретические предсказания современных ядерных моделей, и команда планирует изучить другие ядра в области ²⁰⁷ Hg, используя эти новые возможности, давая более глубокое понимание неизвестных областей ядерной физики и р- процесс.

Помимо проведения эксперимента в ЦЕРНе, аргонские ученые сообщили о конструкции МКС, оснастив спектрометр своими детекторами HELIOS и электроникой для сбора данных.

Кей также участвует в разработке другого соленоидального спектрометра в финансируемой Министерством энергетики США установке для редких изотопных пучков (FRIB) в Университете штата Мичиган под названием SOLARIS, поделившись своим опытом в области ядерной физики для другого межведомственного сотрудничества.

Результаты этого исследования были опубликованы в статье под названием «Первое исследование структуры нейтронной оболочки ниже свинца и за пределами N = 126» 13 февраля в « Physical Review Letters» . Исследование финансировалось Управлением ядерной физики Министерства энергетики США, Советом по научно-техническому оборудованию Великобритании и Европейским исследовательским советом.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены DOE / Argonne National Laboratory . Оригинал написан Саванной Митчем. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. TL Tang, BP Kay, CR Hoffman, JP Schiffer, DK Sharp, LP Gaffney, SJ Freeman, MR Mumpower, A. Arokiaraj, EF Baader, PA Butler, WN Catford, G. de Angelis, F. Flavigny, MD Gott, ET Грегор, Дж. Конки, М. Лабиш, И.Х. Лазарь, П.Т. МакГрегор, И. Мартель, Р.Д. Пейдж, Zs. Подоляк, О. Полещук, Р. Раабе, Ф. Реккиа, Дж. Ф. Смит, С. В. Швец, Дж. Ян. Первое исследование структуры нейтронной оболочки ниже свинца и за его пределами N = 126 . Physical Review Letters , 2020; 124 (6) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.062502