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, ранее 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.
Физики наблюдают структуру нейтронной оболочки ядра с меньшим количеством протонов, чем у свинца, и более 126 нейтронов - «магических чисел» в области ядерной физики. На этих магических числах, из которых 8, 20, 28, 50 и 126 - канонические значения, 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 207Hg. Исследование 207Hg 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. Чтобы изучить структуру 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 206Hg 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 сделать 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 207Hg».
МКС - это недавно разработанный магнитный спектрометр, который физики-ядерщики использовали для обнаружения случаев, когда ядра 206Hg захватывают нейтрон и становятся 207Hg. 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 206Hg 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. HELIOS позволил исследовать ядерные свойства, которые когда-то было невозможно изучить, но благодаря HELIOS, он проводится в Аргонне с 2008 года. На установке ISOLDE в ЦЕРНе можно 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 стала решением для устранения этого искажения.