Nový přístroj v Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) provedl extrémně přesná měření nestabilních jader ruthenia. Měření jsou významným milníkem v jaderné fyzice, protože se těsně shodují s předpovědi vytvořenými sofistikovanými jadernými modely.
"Pro teoretické modely je velmi obtížné předpovídat vlastnosti složitých, nestabilních jader," řekl Bernhard Maass, asistent fyzika v Argonne a hlavní autor studie. "Ukázali jsme, že třída pokročilých modelů to dokáže přesně. Naše výsledky pomáhají modely ověřit."
Ověření modelů může vybudovat důvěru v jejich předpovědi o astrofyzikálních procesech. Patří mezi ně vznik, vývoj a exploze hvězd, kde vznikají prvky.
Studie byla zveřejněna vFyzické kontrolní dopisy.
Potřeba ověřit teoretické modely
Jaderní fyzici vyvíjejí pokročilejší teoretické modely, aby přesně předpovídali vlastnosti nestabilních atomových jader s komplikovanými strukturami, tvary a silami. Takové modely mají potenciál prohloubit naše chápání vnitřního fungování atomových jader.
Je však nezbytné prokázat přesnost těchto modelů, než je lze použít k posunutí hranic vědy. To vyžaduje obtížný úkol shromáždit přesná, skutečná{1}}měření komplexních jader a porovnat tato měření s předpovědí modelů.
Ruthenium je ideálním prvkem pro ověřování pokročilých teoretických modelů. Tento vzácný kov má izotopy-atomů stejného prvku s různým počtem neutronů a různou stabilitou-, o kterých je známo, že mají jádra se složitými strukturami a tvary. Existuje řada nestabilních, radioaktivních izotopů ruthenia, o kterých se předpokládá, že mají tříosý tvar, podobný mandlím nebo kávovým zrnům.
Měření vlastností ruthenia
Výzkumný tým použil přístroj Argonne Tandem Hall Laser Beamline pro atomovou a iontovou spektroskopii (ATLANTIS) k měření devíti radioaktivních izotopů ruthenia. Toto nové zařízení bylo instalováno v Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS je uživatelské zařízení DOE v Argonne se supravodivým lineárním urychlovačem určeným ke studiu vlastností jader.
Výzkumníci získali přístup k radioaktivním izotopům ruthenia z jiného nástroje ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU dokáže dodat radioaktivní ruthenium prostřednictvím štěpení malého množství kalifornia-, což je vzácný, vysoce radioaktivní prvek.
"Izotopy ruthenia, které jsme studovali, trvají jen sekundu, než se rozpadají na jiné prvky," řekl Maass. "ATLANTIS provádí techniku zvanou kolineární laserová spektroskopie. Umožňuje nám sbírat měření velmi malých množství těchto izotopů za méně než sekundu."
Pomocí ATLANTIS vědci nasměrovali laserový paprsek podél stejné dráhy jako paprsek atomů ruthenia. Při určitých laserových frekvencích byly atomy excitovány a začaly fluoreskovat, což naznačuje, že byly emitovány světelné fotony. Tým identifikoval laserové frekvence, při kterých emise fotonů vrcholily. Tento proces byl opakován pro devět izotopů ruthenia. Pro každý izotop se emisní vrchol posunul na mírně jinou frekvenci.
"Můžeme použít tento izotopový posun k odvození rozdílů ve velikosti jader izotopů," řekl Maass.
Tým porovnal tyto změny velikosti s předpověďmi z bruselského-Skyrme-na-a-mřížce (BSkG), modely, které patří k nejpokročilejším na světě pro jadernou strukturu. Na rozdíl od starších tradičních jaderných modelů zohledňují specifické síly a interakce mezi všemi neutrony a protony v jádře.
Výzkumníci našli vynikající shodu mezi svými výsledky a předpověďmi z modelů BSkG, což ukazuje na robustnost modelů.
Zejména ve snaze umožnit přesná měření tým také pokročil v technologii kolineární laserové spektroskopie. Konkrétně vyvinuli a implementovali nové účinné techniky, které neutralizují atomový paprsek a „shlukují“ jej do pulzů.
Objevte to nejnovější ve vědě, technice a vesmíru s více než více100 000 odběratelůkteří se spoléhají na Phys.org pro každodenní postřehy. Přihlaste se k odběru našeho bezplatného zpravodaje a získejte aktualizace o průlomech, inovacích a výzkumu, na kterých záleží-denně nebo týdně.
Upsat
Důsledky pro astrofyziku
Studie ukázala, že modely BSkG mohou předpovídat nestabilní, triaxiální jádra s pozoruhodnou přesností. Takové výkonné modely mohou astrofyzikům pomoci objasnit, jak vesmír funguje.
"Astrofyzici vědí, že nestabilní, radioaktivní jádra hrají důležitou roli při formování hvězd a prvků ve vesmíru," řekl Maass.
"Abychom lépe porozuměli našemu vesmíru, potřebujeme vědět, jak jsou jádra strukturována a jak interagují. Musíme být schopni předvídat vlastnosti exotických jader, která nelze vyrobit v moderních urychlovačích částic."
Tři autoři studie vyvinuli modely BSkG: Wouter Ryssens a Guilherme Grams, oba z Université libre de Bruxelles v Belgii, a Michael Bender z Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon ve Francii.
Kromě Maass, Ryssens, Grams a Bender byly experimenty a konstrukce ATLANTIS výsledkem spolupráce výzkumníků z Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard a Adrian Valverde), Technické univerzity v Darmstadtu v Německu a Facility for Rare Isotope Isotope State University Michitope
ATLANTIS je k dispozici spolupracujícím institucím pro provádění měření kolineární laserovou spektroskopií pro různé výzkumné potřeby. Chcete-li prozkoumat možnosti spolupráce, kontaktujte společnost Maass.
