Nowatorski aparat w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych dokonał niezwykle precyzyjnych pomiarów niestabilnych jąder rutenu. Pomiary są znaczącym kamieniem milowym w fizyce jądrowej, ponieważ ściśle odpowiadają przewidywaniom dokonanym przez wyrafinowane modele jądrowe.
„Za pomocą modeli teoretycznych bardzo trudno jest przewidzieć właściwości złożonych, niestabilnych jąder” – powiedział Bernhard Maass, asystent fizyka w Argonne i główny autor badania. „Wykazaliśmy, że klasa zaawansowanych modeli może to zrobić dokładnie. Nasze wyniki pomagają zweryfikować modele”.
Walidacja modeli może zbudować zaufanie do przewidywań dotyczących procesów astrofizycznych. Należą do nich powstawanie, ewolucja i eksplozje gwiazd, podczas których powstają pierwiastki.
Badanie zostało opublikowane wListy z przeglądu fizycznego.
Konieczność walidacji modeli teoretycznych
Fizycy jądrowi opracowują bardziej zaawansowane modele teoretyczne, aby precyzyjnie przewidywać właściwości niestabilnych jąder atomowych o skomplikowanych strukturach, kształtach i siłach. Takie modele mogą potencjalnie pogłębić naszą wiedzę na temat wewnętrznego działania jąder atomowych.
Jednakże istotne jest wykazanie dokładności tych modeli, zanim będą mogły zostać wykorzystane do przesuwania granic nauki. Wymaga to trudnego zadania polegającego na zbieraniu precyzyjnych-rzeczywistych pomiarów złożonych jąder i porównywaniu pomiarów z przewidywaniami modeli.
Ruten jest idealnym pierwiastkiem do walidacji zaawansowanych modeli teoretycznych. Ten rzadki metal ma izotopy-atomów tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów i różnej stabilności,-o których wiadomo, że ma jądra o złożonych strukturach i kształtach. Uważa się, że istnieje szereg niestabilnych, radioaktywnych izotopów rutenu, które mają kształt trójosiowy, podobny do migdałów lub ziaren kawy.
Pomiar właściwości rutenu
Zespół badawczy wykorzystał aparat Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectrscopic (ATLANTIS) do pomiaru dziewięciu radioaktywnych izotopów rutenu. To nowe urządzenie zostało zainstalowane w systemie akceleratora Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS to placówka użytkownika DOE w Argonne posiadająca nadprzewodzący akcelerator liniowy przeznaczony do badania właściwości jąder.
Naukowcy uzyskali dostęp do radioaktywnych izotopów rutenu z innego instrumentu ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU może dostarczyć radioaktywny ruten poprzez rozszczepienie niewielkiej ilości kalifornu,-rzadkiego, wysoce radioaktywnego pierwiastka.
„Izotopy rutenu, które badaliśmy, żyją tylko sekundę, zanim rozpadają się na inne pierwiastki” – powiedział Maass. „ATLANTIS stosuje technikę zwaną współliniową spektroskopią laserową. Pozwala nam ona zbierać pomiary bardzo małych ilości tych izotopów w czasie krótszym niż sekunda”.
Korzystając z ATLANTIS, badacze skierowali wiązkę lasera po tej samej drodze, co wiązka atomów rutenu. Przy pewnych częstotliwościach lasera atomy zostały wzbudzone i zaczęły fluoryzować, co wskazywało, że wyemitowano fotony światła. Zespół zidentyfikował częstotliwości lasera, przy których emisja fotonów osiąga maksimum. Proces ten powtórzono dla dziewięciu izotopów rutenu. Dla każdego izotopu pik emisji przesunął się do nieco innej częstotliwości.
„Możemy wykorzystać to przesunięcie izotopu do obliczenia różnic w rozmiarach jąder izotopów” – powiedział Maass.
Zespół porównał te zmiany wielkości z przewidywaniami z Brukseli-Skyrme-na-modelach-Grid (BSkG), które należą do najbardziej zaawansowanych na świecie w zakresie struktury jądrowej. W przeciwieństwie do starszych, tradycyjnych modeli jądrowych wyjaśniają one specyficzne siły i interakcje pomiędzy wszystkimi neutronami i protonami w jądrze.
Naukowcy stwierdzili doskonałą zgodność między wynikami a przewidywaniami modeli BSkG, co wskazuje na odporność modeli.
Co istotne, chcąc umożliwić precyzyjne pomiary, zespół udoskonalił także technologię współliniowej spektroskopii laserowej. W szczególności opracowali i wdrożyli nowe, skuteczne techniki, które neutralizują wiązkę atomów i „grupują” ją w impulsy.
Odkryj najnowsze osiągnięcia nauki, technologii i kosmosu dzięki over100 000 abonentówktórzy codziennie korzystają z witryny Phys.org. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje na temat przełomowych, innowacyjnych i ważnych badań-codziennie lub co tydzień.
Subskrybować
Implikacje dla astrofizyki
Badanie wykazało, że modele BSkG umożliwiają przewidywanie niestabilnych, trójosiowych jąder z niezwykłą dokładnością. Takie potężne modele mogą pomóc astrofizykom rzucić światło na działanie Wszechświata.
„Astrofizycy wiedzą, że niestabilne, radioaktywne jądra odgrywają ważną rolę w powstawaniu gwiazd i pierwiastków we wszechświecie” – powiedział Maass.
„Aby lepiej zrozumieć nasz wszechświat, musimy wiedzieć, jak zbudowane są jądra i jak wchodzą w interakcje. Musimy być w stanie przewidzieć właściwości egzotycznych jąder, których nie można wytworzyć w nowoczesnych akceleratorach cząstek”.
Modele BSkG opracowało trzech autorów badania: Wouter Ryssens i Guilherme Grams, obaj z Université libre de Bruxelles w Belgii oraz Michael Bender z Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon we Francji.
Oprócz Maassa, Ryssensa, Gramsa i Bendera w eksperymentach i budowie ATLANTIS uczestniczyli badacze z Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard i Adrian Valverde), Politechniki w Darmstadt w Niemczech oraz Facility for Rare Isotope Beams na Michigan State University.
ATLANTIS jest dostępny dla współpracujących instytucji w celu wykonywania pomiarów kolinearnej spektroskopii laserowej dla różnych potrzeb badawczych. Aby poznać możliwości współpracy, skontaktuj się z Maassem.
