Новий апарат Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) зробив надзвичайно точні вимірювання нестабільних ядер рутенію. Ці вимірювання є важливою віхою в ядерній фізиці, оскільки вони точно відповідають прогнозам, зробленим за допомогою складних ядерних моделей.
«Для теоретичних моделей дуже важко передбачити властивості складних, нестабільних ядер», — сказав Бернхард Маас, помічник фізика в Argonne та провідний автор дослідження. «Ми продемонстрували, що клас передових моделей може зробити це точно. Наші результати допомагають перевірити моделі».
Перевірка моделей може зміцнити довіру до їхніх прогнозів щодо астрофізичних процесів. До них належать утворення, еволюція та вибухи зірок, де створюються елементи.
Дослідження було опубліковано вОглядові листи фізичних осіб.
Необхідність перевірки теоретичних моделей
Фізики-ядерники розробляють досконаліші теоретичні моделі для точного передбачення властивостей нестабільних атомних ядер зі складною структурою, формою та силами. Такі моделі можуть поглибити наше розуміння внутрішньої роботи атомних ядер.
Однак важливо продемонструвати точність цих моделей, перш ніж їх можна буде використовувати для розширення кордонів науки. Це вимагає складного завдання збору точних реальних-вимірів складних ядер і порівняння вимірювань із прогнозами моделей.
Рутеній є ідеальним елементом для перевірки передових теоретичних моделей. Цей рідкісний метал містить ізотопи-атомів того самого елемента з різною кількістю нейтронів і різною стабільністю-, які, як відомо, мають ядра складної структури та форми. Існує ряд нестабільних радіоактивних ізотопів рутенію, які, як вважають, мають тривісну форму, схожу на мигдаль або кавове зерно.
Вимірювання властивостей рутенію
Дослідницька група використала апарат Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) для вимірювання дев’яти радіоактивних ізотопів рутенію. Цей новий пристрій було встановлено на Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS — це користувацька установа DOE в Аргонні з надпровідним лінійним прискорювачем, призначеним для вивчення властивостей ядер.
Дослідники отримали доступ до радіоактивних ізотопів рутенію з іншого інструменту ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU може доставляти радіоактивний рутеній шляхом розщеплення невеликої кількості каліфорнію-— рідкісного високорадіоактивного елемента.
«Ізотопи рутенію, які ми вивчали, живуть лише секунду, перш ніж розпадатися на інші елементи», — сказав Маас. «ATLANTIS використовує техніку, яка називається колінеарною лазерною спектроскопією. Вона дозволяє нам проводити вимірювання дуже малих кількостей ізотопів менш ніж за секунду».
Використовуючи ATLANTIS, дослідники направили лазерний промінь по тому ж шляху, що й пучок атомів рутенію. На певних частотах лазера атоми збуджувались і починали флуоресцувати, що вказувало на випромінювання світлових фотонів. Команда визначила лазерні частоти, на яких випромінювання фотонів досягає максимуму. Цей процес був повторений для дев'яти ізотопів рутенію. Для кожного ізотопу пік випромінювання зміщувався до дещо іншої частоти.
«Ми можемо використовувати цей ізотопний зсув, щоб отримати відмінності в ядерних розмірах ізотопів», — сказав Маас.
Команда порівняла ці зміни розміру з прогнозами брюссельського-Skyrme-на--моделях Grid (BSkG), які є одними з найдосконаліших у світі для ядерної структури. На відміну від старих традиційних ядерних моделей, вони враховують специфічні сили та взаємодії між усіма нейтронами та протонами в ядрі.
Дослідники виявили чудову збіг між своїми результатами та прогнозами моделей BSkG, що вказує на надійність моделей.
Зокрема, намагаючись забезпечити точні вимірювання, команда також вдосконалила технологію колінеарної лазерної спектроскопії. Зокрема, вони розробили та впровадили нові ефективні методи, які нейтралізують пучок атомів і «згруповують» його в імпульси.
Відкрийте для себе останні новинки науки, техніки та космосу з over100 000 підписниківякі покладаються на Phys.org для щоденної інформації. Підпишіться на нашу безкоштовну інформаційну розсилку та отримуйте оновлення про важливі досягнення, інновації та дослідження-щоденно або щотижня.
Підпишіться
Наслідки для астрофізики
Дослідження показало, що моделі BSkG можуть робити прогнози нестабільних тривісних ядер із надзвичайною точністю. Такі потужні моделі можуть допомогти астрофізикам пролити світло на те, як працює Всесвіт.
«Астрофізики знають, що нестабільні радіоактивні ядра відіграють важливу роль у формуванні зірок і елементів у Всесвіті», — сказав Маас.
«Щоб краще зрозуміти наш Всесвіт, нам потрібно знати, як ядра структуровані та як вони взаємодіють. Ми повинні мати можливість передбачити властивості екзотичних ядер, які не можуть бути отримані в сучасних прискорювачах частинок».
Троє авторів дослідження розробили моделі BSkG: Воутер Риссенс і Гільерме Грамс, обидва з Université libre de Bruxelles у Бельгії, та Майкл Бендер з Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon у Франції.
Крім Маасса, Риссенса, Грамса та Бендера, в експериментах і будівництві ATLANTIS співпрацювали дослідники з Аргонни (Деніель Бердетт, Джейсон Кларк, Пітер Мюллер, Даніель Сантьяго-Гонсалес, Гай Савард і Адріан Вальверде), Технічного університету Дармштадта в Німеччині та Центру пучків рідкісних ізотопів у штаті Мічиган університет.
ATLANTIS доступний для установ, які співпрацюють, для виконання вимірювань колінеарної лазерної спектроскопії для різноманітних дослідницьких потреб. Щоб дізнатися про можливості співпраці, зв’яжіться з Maass.
