Et nytt apparat ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har gjort ekstremt nøyaktige målinger av ustabile rutheniumkjerner. Målingene er en betydelig milepæl innen kjernefysikk fordi de samsvarer nøye med spådommer gjort av sofistikerte kjernefysiske modeller.
"Det er veldig vanskelig for teoretiske modeller å forutsi egenskapene til komplekse, ustabile kjerner," sa Bernhard Maass, assistentfysiker ved Argonne og studiens hovedforfatter. "Vi har vist at en klasse med avanserte modeller kan gjøre dette nøyaktig. Resultatene våre hjelper til med å validere modellene."
Validering av modellene kan bygge tillit til deres spådommer om astrofysiske prosesser. Disse inkluderer dannelsen, utviklingen og eksplosjonene av stjerner der elementer skapes.
Studien ble publisert iFysiske gjennomgangsbrev.
Et behov for å validere teoretiske modeller
Kjernefysikere utvikler mer avanserte teoretiske modeller for å presist forutsi egenskapene til ustabile atomkjerner med kompliserte strukturer, former og krefter. Slike modeller har potensial til å utdype vår forståelse av atomkjerners indre virkemåte.
Det er imidlertid viktig å demonstrere nøyaktigheten til disse modellene før de kan brukes til å flytte vitenskapens grenser. Dette krever den vanskelige oppgaven med å samle nøyaktige, virkelige-målinger av komplekse kjerner og sammenligne målingene med modellenes spådommer.
Ruthenium er et ideelt element for å validere avanserte teoretiske modeller. Dette sjeldne metallet har isotoper-atomer av samme grunnstoff med et annet antall nøytroner og varierende stabilitet-kjent for å ha kjerner med komplekse strukturer og former. Det er en serie ustabile, radioaktive rutheniumisotoper som antas å ha en triaksial form, lik en mandel- eller kaffebønne.
Måle egenskapene til ruthenium
Forskerteamet brukte Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS)-apparatet for å måle ni radioaktive rutheniumisotoper. Denne nye enheten ble installert på Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS er et DOE-brukeranlegg i Argonne med en superledende lineær akselerator designet for å studere egenskapene til kjerner.
Forskerne fikk tilgang til radioaktive rutheniumisotoper fra et annet ATLAS-instrument, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU kan levere radioaktivt rutenium gjennom fisjon av en liten mengde californium-et sjeldent, svært radioaktivt grunnstoff.
"Rutheniumisotopene som vi studerte varer bare et sekund før de forfaller til andre grunnstoffer," sa Maass. "ATLANTIS utfører en teknikk som kalles kollineær laserspektroskopi. Den lar oss samle inn målinger på svært små mengder av disse isotopene på mindre enn et sekund."
Ved å bruke ATLANTIS rettet forskerne en laserstråle langs samme bane som en stråle av rutheniumatomer. Ved visse laserfrekvenser ble atomene eksitert og begynte å fluorescere, noe som indikerer at lysfotoner ble sendt ut. Teamet identifiserte laserfrekvensene der fotonutslippet toppet seg. Denne prosessen ble gjentatt for de ni rutheniumisotopene. For hver isotop skiftet utslippstoppen til en litt annen frekvens.
"Vi kan bruke dette isotopskiftet til å utlede forskjellene i isotopenes nukleære størrelser," sa Maass.
Teamet sammenlignet disse størrelsesendringene med spådommer fra Brussels-Skyrme-on-a-Grid-modeller (BSkG), som er blant verdens mest avanserte for kjernefysiske strukturer. I motsetning til eldre, tradisjonelle kjernefysiske modeller, står de for de spesifikke kreftene og interaksjonene mellom alle nøytronene og protonene i en kjerne.
Forskerne fant utmerket samsvar mellom deres resultater og spådommer fra BSkG-modeller, noe som peker på modellenes robusthet.
Spesielt, i forsøket på å muliggjøre presise målinger, avanserte teamet også kollineær laserspektroskopi-teknologi. Spesielt utviklet og implementerte de effektive nye teknikker som nøytraliserer atomstrålen og "bunter" den til pulser.
Oppdag det siste innen vitenskap, teknologi og romfart med over100 000 abonnentersom stoler på Phys.org for daglig innsikt. Registrer deg for vårt gratis nyhetsbrev og få oppdateringer om gjennombrudd, innovasjoner og forskning som betyr noe-daglig eller ukentlig.
Abonner
Implikasjoner for astrofysikk
Studien viste at BSkG-modeller kan gi spådommer om ustabile, triaksiale kjerner med bemerkelsesverdig nøyaktighet. Slike kraftige modeller kan hjelpe astrofysikere med å kaste lys over hvordan universet fungerer.
"Astrofysikere vet at ustabile, radioaktive kjerner spiller en viktig rolle i dannelsen av stjerner og grunnstoffer i universet," sa Maass.
"For bedre å forstå universet vårt, må vi vite hvordan kjerner er strukturert og hvordan de samhandler. Vi må kunne forutsi egenskapene til eksotiske kjerner som ikke kan produseres i moderne partikkelakseleratorer."
Tre av studiens forfattere utviklet BSkG-modellene: Wouter Ryssens og Guilherme Grams, begge fra Université libre de Bruxelles i Belgia, og Michael Bender fra Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon i Frankrike.
I tillegg til Maass, Ryssens, Grams og Bender, var eksperimentene og konstruksjonen av ATLANTIS et samarbeid mellom forskere fra Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard og Adrian Valverde), det tekniske universitetet i Darmstadt i Tyskland og Facility for Be Rare Isotop i Michigan.
ATLANTIS er tilgjengelig for samarbeidende institusjoner for å utføre kollineære laserspektroskopimålinger for en rekke forskningsbehov. For å utforske samarbeidsmuligheter, kontakt Maass.
