Novi aparat u Nacionalnoj laboratoriji Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) napravio je izuzetno precizna mjerenja nestabilnih jezgara rutenijuma. Mjerenja su značajna prekretnica u nuklearnoj fizici jer se u velikoj mjeri podudaraju s predviđanjima napravljenim od sofisticiranih nuklearnih modela.
"Za teorijske modele je veoma teško predvideti svojstva složenih, nestabilnih jezgara", rekao je Bernhard Maass, pomoćnik fizičara u Argonneu i glavni autor studije. "Pokazali smo da klasa naprednih modela to može učiniti precizno. Naši rezultati pomažu u validaciji modela."
Validacija modela može izgraditi povjerenje u njihova predviđanja o astrofizičkim procesima. To uključuje formiranje, evoluciju i eksplozije zvijezda gdje se stvaraju elementi.
Studija je objavljena uPhysical Review Letters.
Potreba za validacijom teorijskih modela
Nuklearni fizičari razvijaju naprednije teorijske modele za precizno predviđanje svojstava nestabilnih atomskih jezgara sa komplikovanim strukturama, oblicima i silama. Takvi modeli imaju potencijal da prodube naše razumijevanje unutrašnjeg rada atomskih jezgri.
Međutim, neophodno je pokazati tačnost ovih modela prije nego što se mogu koristiti za pomicanje granica nauke. Ovo zahtijeva težak zadatak prikupljanja preciznih mjerenja u stvarnom-svijetu složenih jezgara i poređenja mjerenja sa predviđanjima modela.
Rutenijum je idealan element za validaciju naprednih teorijskih modela. Ovaj rijetki metal ima izotope-atome istog elementa s različitim brojem neutrona i različitom stabilnošću-za koje se zna da ima jezgra složene strukture i oblika. Postoji niz nestabilnih, radioaktivnih izotopa rutenijuma za koje se veruje da imaju troaksijalni oblik, sličan bademu ili zrnu kafe.
Mjerenje svojstava rutenijuma
Istraživački tim je koristio Argonne Tandem Hall Laser Beamline za atomsku i ionsku spektroskopiju (ATLANTIS) aparat za mjerenje devet radioaktivnih izotopa rutenijuma. Ovaj novi uređaj instaliran je u Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS je DOE korisnički objekat u Argonneu sa supravodljivim linearnim akceleratorom dizajniranim za proučavanje svojstava jezgara.
Istraživači su dobili pristup radioaktivnim izotopima rutenijuma iz drugog ATLAS instrumenta, Californium Rare Isotop Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU može isporučiti radioaktivni rutenijum fisijom male količine kalifornija-rijetkog, visoko radioaktivnog elementa.
"Izotopi rutenijuma koje smo proučavali traju samo sekundu pre nego što se raspadnu u druge elemente", rekao je Mas. "ATLANTIS izvodi tehniku koja se zove kolinearna laserska spektroskopija. Omogućava nam da prikupimo mjerenja na vrlo malim količinama ovih izotopa za manje od jedne sekunde."
Koristeći ATLANTIS, istraživači su usmjerili laserski snop duž istog puta kao i snop atoma rutenijuma. Na određenim frekvencijama lasera, atomi su bili pobuđeni i počeli da fluoresciraju, što ukazuje na emitovanje svetlosnih fotona. Tim je identifikovao frekvencije lasera na kojima su emisije fotona dostigle vrhunac. Ovaj proces je ponovljen za devet izotopa rutenijuma. Za svaki izotop, emisioni vrh se pomjerio na nešto drugačiju frekvenciju.
"Možemo koristiti ovaj izotopski pomak da izvedemo razlike u nuklearnim veličinama izotopa", rekao je Maass.
Tim je uporedio ove promjene veličine sa predviđanjima iz Brisela-Skyrme-na-a-Grid (BSkG) modelima, koji su među najnaprednijim svjetskim nuklearnim strukturama. Za razliku od starijih, tradicionalnih nuklearnih modela, oni objašnjavaju specifične sile i interakcije između svih neutrona i protona u jezgri.
Istraživači su pronašli odlično slaganje između njihovih rezultata i predviđanja iz BSkG modela, ukazujući na robusnost modela.
Značajno, u pokušaju da omogući precizna mjerenja, tim je također unaprijedio tehnologiju kolinearne laserske spektroskopije. Konkretno, razvili su i implementirali efikasne nove tehnike koje neutraliziraju snop atoma i "skupljaju" ga u impulse.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i svemiru uz više100.000 pretplatnikakoji se oslanjaju na Phys.org za dnevne uvide. Prijavite se za naš besplatni bilten i primajte ažuriranja o otkrićima, inovacijama i istraživanjima koja su važna-dnevno ili sedmično.
Pretplatite se
Implikacije za astrofiziku
Studija je pokazala da BSkG modeli mogu da predviđaju nestabilna, triaksijalna jezgra sa izuzetnom tačnošću. Ovako moćni modeli mogu pomoći astrofizičarima da rasvijetle kako svemir funkcionira.
"Astrofizičari znaju da nestabilna, radioaktivna jezgra igraju važnu ulogu u formiranju zvijezda i elemenata u svemiru", rekao je Maass.
"Da bismo bolje razumjeli naš svemir, moramo znati kako su jezgra strukturirana i kako međusobno djeluju. Moramo biti u stanju predvidjeti svojstva egzotičnih jezgara koja se ne mogu proizvesti u modernim akceleratorima čestica."
Tri autora studije razvila su BSkG modele: Wouter Ryssens i Guilherme Grams, oba sa Université libre de Bruxelles u Belgiji, i Michael Bender sa Instituta de Physique des 2 Infinis de Lyon u Francuskoj.
Pored Maassa, Ryssensa, Gramsa i Bendera, eksperimenti i konstrukcija ATLANTIS-a bili su saradnja između istraživača iz Argonnea (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago{0}}Gonzalez, Guy Savard i Adrian Valverde), Tehničkog univerziteta u Darmstadtiju u državi Ra Isgan, Njemačka Univerzitet.
ATLANTIS je dostupan za saradničke institucije za izvođenje mjerenja kolinearne laserske spektroskopije za različite potrebe istraživanja. Da biste istražili mogućnosti saradnje, kontaktirajte Maass.
