Аргонн и ЦЕРН исследуют давнюю тайну ядерной физики

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, 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.

Ядерные физики в сотрудничестве первыми наблюдают структуру нейтронной оболочки ядра с меньшим количеством протонов, чем у свинца, и более 126 нейтронов – чисел в области ядерной физики. На этих числах, из которых 8, 20, 28, 50 и 126 – это канонические значения, ядра обладают повышенной стабильностью, так же как и некоторые газы с закрытыми электронными оболочками. Ядра с нейтронами выше 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 207 Hg. Исследование 207 Hg 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. – “Трудно исследовать, потому что мы не можем просто выкопать сверхновую из Земли, поэтому мы должны создать эту экстремальную среду и изучить реакции, которые происходят в них”.

Чтобы изучить структуру 207 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 206 Hg 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 магнитного спектрометра позволило нам впервые наблюдать спектр возбужденных состояний при 207 Hg”.

Магнитный спектрометр – это недавно разработанный аппарат, который физики-ядерщики использовали для обнаружения случаев, когда ядра 206 Hg захватывают нейтрон и становятся 207 Hg. 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 206 Hg захватывает нейтрон от дейтериевой мишени, протон отскакивает. Протоны, испускаемые во время этих реакций, попадают на детектор в спектрометр, 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.

Спектрометр 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. ГЕЛИОС позволил исследовать ядерные свойства, которые когда-то было невозможно изучить, но благодаря ему это стало возможным после начала исследований, проведение которых началось в Аргонне в 2008 году. Установка ISOLDE в ЦЕРНе может 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 была решением для устранения этого искажения.

“Когда вы получаете пушечное ядро ​​луча, поражающего хрупкую цель, кинематика меняется, и результирующие спектры сжимаются”, – сказал Кей. – “Но Джон Шиффер понял, что когда столкновение происходит внутри магнита, испускаемые протоны движутся по спирали в направлении детектора, и с помощью математического трюка это разворачивает кинематическое сжатие, в результате чего возникает несжатый спектр, который раскрывает лежащий в основе элемент с ядерной структурой.”

Первые анализы данных эксперимента CERN подтверждают теоретические прогнозы современных ядерных моделей, и команда планирует изучить другие ядра в области 207 Hg, используя эти новые возможности, давая более глубокое понимание неизвестных областей ядерной физики и r-процесс.

Помимо проведения эксперимента в ЦЕРНе, аргонские ученые сообщили о конструкции магнитного спектрометра, оснастив спектрометр своими детекторами HELIOS и электроникой для сбора данных.

Кей также участвует в разработке другого соленоидального спектрометра в финансируемой Министерством энергетики США установке для редких изотопных пучков (FRIB) в Университете штата Мичиган под названием SOLARIS, поделившись своим опытом в области ядерной физики для другого межведомственного сотрудничества.