Продукты ядерных трансмутаций обнаружены с беспрецедентной детализацией

Древние греки воображали, что все в мире природы произошло от их богини Физис; ее имя является источником слова физика. Современные физики-ядерщики из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики создали собственную БОГИНЮ — детектор, дающий представление об астрофизических ядерных реакциях, в результате которых образуются элементы тяжелее водорода (этот самый легкий из элементов был создан сразу после Большого взрыва). .

Исследователи разработали современный детектор заряженных частиц в ORNL под названием Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, или ORRUBA, для изучения реакций с пучками радиоактивных ядер, важных для астрофизических исследований. Недавно его кремниевые детекторы были модернизированы и плотно упакованы, чтобы подготовить его к совместной работе с большими детекторами гамма-излучения на основе германия, такими как Gammasphere, и системой детекторов гамма-излучения нового поколения GRETINA. В результате появились GODDESS—Gammasphere/GRETINA ORRUBA: двойные детекторы для экспериментальных структурных исследований.

С миллиметровым разрешением GODDESS регистрирует выбросы от реакций, происходящих, когда энергетические пучки радиоактивных ядер получают или теряют протоны и нейтроны и испускают гамма-лучи или заряженные частицы, такие как протоны, дейтроны, тритоны, гелий-3 или альфа-частицы.

«Заряженные частицы в кремниевых детекторах говорят нам, как образовалось ядро, а гамма-лучи говорят нам, как оно распалось», — объяснил Стивен Пейн из отдела физики ORNL. «Мы объединяем два набора данных и используем их, как если бы они были одним детектором для получения полной картины реакции».

Ранее в этом году Пейн провел более 50 ученых из 12 учреждений в экспериментах GODDESS, чтобы понять космическое происхождение элементов.Он является главным исследователем двух экспериментов и соруководителем третьего. Ожидается, что анализ данных сложных экспериментов займет два года.

«Почти все тяжелые стабильные ядра во Вселенной создаются в результате реакции нестабильных ядер, а затем возвращаются к стабильности», — сказал Пейн.

Век ядерной трансмутации

В 1911 году Эрнест Резерфорд был поражен, обнаружив, что альфа-частицы — тяжелые и положительно заряженные — иногда отскакивают назад. Он пришел к выводу, что они, должно быть, столкнулись с чем-то чрезвычайно плотным и положительно заряженным, что возможно только в том случае, если почти вся масса атома будет сосредоточена в его центре. Он открыл атомное ядро. Он продолжил изучение нуклонов — протонов и нейтронов, — составляющих ядро ​​и окруженных оболочками вращающихся электронов.

Один элемент может превратиться в другой, когда нуклоны захватываются, обмениваются или выбрасываются. Когда это происходит в звездах, это называется нуклеосинтезом. Резерфорд наткнулся на этот процесс в лаборатории благодаря аномальному результату в серии экспериментов по рассеянию частиц. Первая искусственная ядерная трансмутация привела к реакции азота-14 с альфа-частицей с образованием кислорода-17 и протона. Этот подвиг был опубликован в 1919 году, положив начало достижениям недавно изобретенной камеры Вильсона, открытиям короткоживущих ядер (которые составляют 90% ядер) и экспериментам, которые продолжаются и по сей день в качестве главного приоритета физики.

«Столетие назад первая ядерная реакция стабильных изотопов была обнаружена людьми-наблюдателями, подсчитывающими вспышки света с помощью микроскопа», — отметил Пейн, который является «праправнуком» Резерфорда в академическом смысле: его докторская степень. руководителем диссертации был Уилтон Кэтфорд, советником которого был Кеннет Аллен, советником которого был Уильям Берчем, советником которого был Резерфорд.«Сегодня передовые детекторы, такие как GODDESS, позволяют нам с большой чувствительностью исследовать реакции труднодоступных нестабильных радиоактивных ядер, которые вызывают астрофизические взрывы, генерирующие множество стабильных элементов вокруг нас».

Понимание термоядерного разгона

Один эксперимент, который проводил Пейн, был посвящен фосфору-30, который важен для понимания некоторых термоядерных побегов. «Мы хотим понять нуклеосинтез при взрывах новых звезд — наиболее распространенных звездных взрывах», — сказал он. Новая возникает в двойной системе, в которой белый карлик гравитационно притягивает богатый водородом материал от соседней звезды-компаньона до тех пор, пока не произойдет термоядерный выброс и поверхностный слой белого карлика не взорвется. Пепел этих взрывов меняет химический состав галактики.

Аспирант Университета Теннесси Раджеш Гимир анализирует данные эксперимента с фосфором, в ходе которого нейтрон из дейтерия в мишени переносился на интенсивный пучок короткоживущего радиоактивного изотопа фосфор-30. Детекторы частиц и гамма-излучения засекли то, что появилось, сопоставив время, места и энергии образования протонов и гамма-лучей.

Ядро фосфора-30 сильно влияет на соотношение большинства более тяжелых элементов, образующихся при взрыве новой. Если понять реакции фосфора-30, соотношения элементов можно использовать для измерения пиковой температуры, которой достигла новая. «Это наблюдаемая величина, которую может увидеть кто-то с телескопом», — сказал Пейн.

Освещение создания тяжелых элементов

Второй эксперимент под руководством Пейна заключался в трансмутации гораздо более тяжелого изотопа, теллура-134. «Это ядро ​​участвует в процессе быстрого захвата нейтронов, или r-процессе, благодаря которому во Вселенной образуется половина элементов тяжелее железа», — рассказал Пейн. Это происходит в среде с большим количеством свободных нейтронов — возможно, при слиянии сверхновых или нейтронных звезд.«Мы знаем, что это происходит, потому что мы видим элементы вокруг нас, но мы до сих пор не знаем точно, где и как это происходит».

Понимание r-процесса нуклеосинтеза станет основным направлением деятельности Установки для пучков редких изотопов (FRIB), объекта пользователя Управления науки Министерства энергетики США, который планируется открыть в Мичиганском государственном университете (МГУ) в 2022 году. FRIB позволит открывать редкие изотопы, ядерные астрофизика и фундаментальные взаимодействия, а также приложения в медицине, национальной безопасности и промышленности.

«Процесс r представляет собой очень, очень сложную сеть реакций; в нее входит много-много частей», — подчеркнул Пейн. «Вы не можете провести один эксперимент и получить ответ».

Эксперимент с теллуром-134 начинается с радиоактивного калифорния, произведенного в ORNL и установленного в Аргоннской системе тандемных линейных ускорителей (ATLAS), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории. Калифорний самопроизвольно делится с теллуром-134 среди продуктов. Пучок теллура-134 ускоряется в дейтериевой мишени и поглощает нейтрон, выбрасывая при этом протон. «Теллур-134 поступает, а теллур-135 уходит», — резюмировал Пейн.