Ученые впервые в мире провели экспериментальные измерения ядерных реакций в средах с высокоэнергетической плотностью плазмы, условия которых аналогичны тем, что существуют внутри звезд, а также возникают при термоядерных взрывах. Этот прорыв был совершен специалистами по радиохимии из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) в Калифорнии.
По словам руководителя исследовательской группы Джона Деспотопулоса, радиохимика LLNL, возможность собирать такие экспериментальные данные в чрезвычайно горячей и плотной, подобной звездной, плазме поможет ученым проверять и совершенствовать существующие модели ядерных реакций, что важно как для астрофизических исследований, так и для программ модернизации национального ядерного арсенала.
Исследователи раскрыли, что одним из ключевых факторов, позволивших команде провести эти первые в своем роде измерения, стал доступ к самой мощной в мире лазерной системе, расположенной в Национальном комплексе зажигания (NIF) при LLNL. В NIF ученые могут создавать условия плазмы, схожие с температурами и давлениями внутри звезд. Во время экспериментов на комплексе лазеры разогревали мишени-капсулы до чрезвычайно высоких температур, вызывая термоядерные реакции с выделением нейтронов. После выстрелов лазеров команда анализировала полученные продукты с помощью ряда диагностических инструментов, включая Лабораторию ядерного подсчета LLNL, которая обеспечивает измерения радиации высокой чувствительности.
Группа из Отдела ядерных и химических наук (NACS) LLNL разработала радиохимические методики для очистки мишенного материала. Они использовали вакуумные или микроинжекционные техники, чтобы добавить менее нанограмма легирующего материала на внутреннюю поверхность каждой капсулы, тщательно внося очищенную смесь, чтобы не засорить отверстие для заполнения капсул. Они также сотрудничали с коллегами из команды по изготовлению мишеней NIF, чтобы обеспечить готовность капсул к экспериментам, включая создание хрупких мишеневых сборок, содержащих радиоактивные капсулы.
Как заявил Деспотопулос, их первые доказательные эксперименты продемонстрировали, что предложенный подход можно использовать для расчета ядерных сечений долгоживущих радиоизотопов в плазменных средах. По его словам, захватывающе работать над такой сложной проблемой и впервые получить подобные экспериментальные данные.
Следующими шагами команды станут испытания нового подхода к измерению ядерных реакций на других радионуклидах. Кроме того, они надеются, что новая методика позволит измерить реакцию захвата нейтрона, также известную как (n,γ)-реакция, что поддержит будущие исследования в области звездного нуклеосинтеза. Исследовательская группа также изучает способы получения радионуклидов для своих будущих экспериментов на NIF. Один из вариантов может включать сбор изотопов на Установке для получения пучков редких изотопов (FRIB) — пользовательском объекте Министерства энергетики США, расположенном в Университете штата Мичиган. FRIB может производить многие из необходимых для этих экспериментов радионуклиды в достаточных количествах.
Данное исследование опирается на прошлые работы других ученых NACS, включая физика Ника Шелцо, изучавшего методы сбора изотопов на FRIB, и руководителя отделения Дон Шонесси, которая проводила ранние исследования в области радиохимической диагностики и начала изучение ядерных реакций на NIF еще в 2008 году. Шонесси отметила, что с самых первых дней экспериментов на NIF их команда рекомендовала использовать комплекс для изучения ядерных реакций. Она подчеркнула, что крайне приятно видеть, как годы вложенной в это направление работы привели к результатам, которые они теперь получают в рамках данной исследовательской программы.