Nova naprava u Nacionalnom laboratoriju Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) napravila je iznimno precizna mjerenja nestabilnih jezgri rutenija. Mjerenja su značajna prekretnica u nuklearnoj fizici jer se blisko podudaraju s predviđanjima sofisticiranih nuklearnih modela.
"Vrlo je teško teorijskim modelima predvidjeti svojstva složenih, nestabilnih jezgri", rekao je Bernhard Maass, pomoćni fizičar u Argonneu i glavni autor studije. "Pokazali smo da klasa naprednih modela to može učiniti točno. Naši rezultati pomažu potvrditi modele."
Validacija modela može izgraditi povjerenje u njihova predviđanja o astrofizičkim procesima. To uključuje formiranje, evoluciju i eksplozije zvijezda gdje se stvaraju elementi.
Studija je objavljena uPhysical Review Letters.
Potreba za validacijom teorijskih modela
Nuklearni fizičari razvijaju naprednije teorijske modele za precizno predviđanje svojstava nestabilnih atomskih jezgri kompliciranih struktura, oblika i sila. Takvi modeli imaju potencijal produbiti naše razumijevanje unutarnjeg rada atomskih jezgri.
Međutim, bitno je pokazati točnost ovih modela prije nego što se mogu koristiti za pomicanje granica znanosti. To zahtijeva težak zadatak prikupljanja preciznih-mjerenja složenih jezgri u stvarnom svijetu i usporedbe mjerenja s predviđanjima modela.
Rutenij je idealan element za potvrdu naprednih teorijskih modela. Ovaj rijedak metal ima izotope-atome istog elementa s različitim brojem neutrona i različitom stabilnošću-za koje se zna da imaju jezgre složenih struktura i oblika. Postoji niz nestabilnih, radioaktivnih izotopa rutenija za koje se vjeruje da imaju troosni oblik, sličan bademu ili zrnu kave.
Mjerenje svojstava rutenija
Istraživački tim koristio je aparat Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) za mjerenje devet radioaktivnih izotopa rutenija. Ovaj novi uređaj instaliran je na Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS je DOE korisnička ustanova u Argonneu sa supravodljivim linearnim akceleratorom dizajniranim za proučavanje svojstava jezgri.
Istraživači su dobili pristup radioaktivnim izotopima rutenija s drugog instrumenta ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU može isporučiti radioaktivni rutenij fisijom male količine kalifornija-rijetkog, visoko radioaktivnog elementa.
"Izotopi rutenija koje smo proučavali traju samo sekundu prije nego što se raspadnu u druge elemente", rekao je Maass. "ATLANTIS izvodi tehniku koja se zove kolinearna laserska spektroskopija. Omogućuje nam prikupljanje mjerenja na vrlo malim količinama ovih izotopa u manje od sekunde."
Koristeći ATLANTIS, istraživači su usmjerili lasersku zraku na isti put kao i zraku atoma rutenija. Na određenim frekvencijama lasera, atomi su pobuđeni i počeli su fluorescirati, što ukazuje da su emitirani svjetlosni fotoni. Tim je identificirao frekvencije lasera na kojima su emisije fotona bile vrhunske. Ovaj proces je ponovljen za devet izotopa rutenija. Za svaki izotop, vrhunac emisije pomaknuo se na nešto drugačiju frekvenciju.
"Možemo koristiti ovaj izotopski pomak kako bismo izveli razlike u nuklearnim veličinama izotopa", rekao je Maass.
Tim je usporedio ove promjene veličine s predviđanjima Bruxelles-Skyrme-on-a-Grid (BSkG) modela, koji su među najnaprednijim svjetskim modelima nuklearne strukture. Za razliku od starijih, tradicionalnih nuklearnih modela, oni uzimaju u obzir specifične sile i interakcije među svim neutronima i protonima u jezgri.
Istraživači su pronašli izvrsno slaganje između svojih rezultata i predviđanja iz BSkG modela, ukazujući na robusnost modela.
Naime, pokušavajući omogućiti precizna mjerenja, tim je također unaprijedio tehnologiju kolinearne laserske spektroskopije. Točnije, razvili su i implementirali učinkovite nove tehnike koje neutraliziraju snop atoma i "grupiraju" ga u impulse.
Otkrijte najnovije u znanosti, tehnologiji i svemiru s više100 000 pretplatnikakoji se oslanjaju na Phys.org za dnevne uvide. Prijavite se za naš besplatni bilten i primajte novosti o važnim otkrićima, inovacijama i istraživanjima-dnevno ili tjedno.
Pretplatite se
Implikacije za astrofiziku
Studija je pokazala da BSkG modeli mogu napraviti predviđanja nestabilnih, triaksijalnih jezgri s izuzetnom točnošću. Takvi moćni modeli mogu pomoći astrofizičarima da rasvijetle kako svemir funkcionira.
"Astrofizičari znaju da nestabilne, radioaktivne jezgre igraju važnu ulogu u formiranju zvijezda i elemenata u svemiru", rekao je Maass.
"Da bismo bolje razumjeli naš svemir, moramo znati kako su jezgre strukturirane i kako međusobno djeluju. Moramo moći predvidjeti svojstva egzotičnih jezgri koje se ne mogu proizvesti u modernim akceleratorima čestica."
Tri autora studije razvila su BSkG modele: Wouter Ryssens i Guilherme Grams, obojica s Université libre de Bruxelles u Belgiji, i Michael Bender s Instituta de Physique des 2 Infinis de Lyon u Francuskoj.
Uz Maassa, Ryssensa, Gramsa i Bendera, eksperimenti i konstrukcija ATLANTIS-a rezultat su suradnje istraživača iz Argonnea (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard i Adrian Valverde), Tehničkog sveučilišta u Darmstadtu u Njemačkoj i Postrojenja za zrake rijetkih izotopa u državi Michigan Sveučilište.
ATLANTIS je dostupan za suradne institucije za izvođenje kolinearnih laserskih spektroskopskih mjerenja za razne potrebe istraživanja. Za istraživanje mogućnosti suradnje kontaktirajte Maassa.
