Нов апарат в Националната лаборатория в Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) направи изключително прецизни измервания на нестабилни рутениеви ядра. Измерванията са важен крайъгълен камък в ядрената физика, защото съвпадат много с прогнозите, направени от сложни ядрени модели.
„Много е трудно за теоретичните модели да предскажат свойствата на сложни, нестабилни ядра“, каза Бернхард Маас, асистент физик в Argonne и водещ автор на изследването. „Ние показахме, че клас усъвършенствани модели могат да направят това точно. Нашите резултати помагат за валидирането на моделите.“
Валидирането на моделите може да изгради доверие в техните прогнози за астрофизичните процеси. Те включват образуването, еволюцията и експлозиите на звезди, където се създават елементи.
Проучването е публикувано вПисма за физически преглед.
Необходимост от валидиране на теоретични модели
Ядрените физици разработват по-напреднали теоретични модели за прецизно предсказване на свойствата на нестабилни атомни ядра със сложни структури, форми и сили. Такива модели имат потенциала да задълбочат нашето разбиране за вътрешната работа на атомните ядра.
Важно е обаче да се демонстрира точността на тези модели, преди да могат да бъдат използвани за разширяване на границите на науката. Това изисква трудната задача за събиране на точни,-измервания от реалния свят на сложни ядра и сравняване на измерванията с прогнозите на моделите.
Рутеният е идеален елемент за валидиране на напреднали теоретични модели. Този рядък метал има изотопи-атоми на същия елемент с различен брой неутрони и различна стабилност-за които е известно, че имат ядра със сложни структури и форми. Има серия от нестабилни радиоактивни изотопи на рутений, за които се смята, че имат триосна форма, подобна на бадем или кафеено зърно.
Измерване на свойствата на рутения
Изследователският екип използва апарата Argonne Tandem Hall Laser Beamline за атомна и йонна спектроскопия (ATLANTIS), за да измери девет радиоактивни изотопа на рутений. Това ново устройство беше инсталирано в Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS е потребителско съоръжение на DOE в Argonne със свръхпроводящ линеен ускорител, предназначен да изучава свойствата на ядрата.
Изследователите са получили достъп до радиоактивни изотопи на рутений от друг инструмент на ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU може да достави радиоактивен рутений чрез делене на малко количество калифорний-рядък, силно радиоактивен елемент.
„Изотопите на рутений, които изследвахме, издържат само секунда, преди да се разпаднат в други елементи“, каза Маас. "ATLANTIS изпълнява техника, наречена колинеарна лазерна спектроскопия. Тя ни позволява да събираме измервания на много малки количества от тези изотопи за по-малко от секунда."
Използвайки ATLANTIS, изследователите насочиха лазерен лъч по същия път като лъч от рутениеви атоми. При определени лазерни честоти атомите се възбуждат и започват да флуоресцират, което показва, че са излъчени светлинни фотони. Екипът идентифицира лазерните честоти, при които емисиите на фотони достигат своя връх. Този процес се повтаря за деветте рутениеви изотопа. За всеки изотоп пикът на емисиите се измества към малко по-различна честота.
„Можем да използваме това изотопно изместване, за да извлечем разликите в ядрените размери на изотопите“, каза Маас.
Екипът сравни тези промени в размера с прогнози от Brussels-Skyrme-on-a-Grid (BSkG) модели, които са сред най-напредналите в света за ядрена структура. За разлика от по-старите традиционни ядрени модели, те отчитат специфичните сили и взаимодействия между всички неутрони и протони в едно ядро.
Изследователите откриха отлично съгласие между техните резултати и прогнозите от моделите BSkG, сочейки устойчивостта на моделите.
По-специално, в опитите си да даде възможност за прецизни измервания, екипът също усъвършенства технологията за колинеарна лазерна спектроскопия. По-конкретно, те разработиха и внедриха ефективни нови техники, които неутрализират атомния лъч и го „групират“ в импулси.
Открийте най-новото в науката, технологиите и космоса с over100 000 абонатикоито разчитат на Phys.org за ежедневни прозрения. Регистрирайте се за нашия безплатен бюлетин и получавайте актуална информация за важни открития, иновации и изследвания-ежедневно или седмично.
Абонирайте се
Последици за астрофизиката
Проучването показа, че BSkG моделите могат да правят прогнози за нестабилни, триаксиални ядра със забележителна точност. Такива мощни модели могат да помогнат на астрофизиците да хвърлят светлина върху това как работи Вселената.
„Астрофизиците знаят, че нестабилните радиоактивни ядра играят важна роля във формирането на звезди и елементи във Вселената“, каза Маас.
"За да разберем по-добре нашата вселена, трябва да знаем как са структурирани ядрата и как си взаимодействат. Трябва да можем да предвидим свойствата на екзотичните ядра, които не могат да бъдат произведени в съвременните ускорители на частици."
Трима от авторите на изследването разработиха моделите BSkG: Wouter Ryssens и Guilherme Grams, и двамата от Université libre de Bruxelles в Белгия, и Майкъл Бендер от Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon във Франция.
В допълнение към Маас, Рисенс, Грамс и Бендер, експериментите и изграждането на ATLANTIS бяха съвместна работа между изследователи от Аргон (Даниел Бърдет, Джейсън Кларк, Питър Мюлер, Даниел Сантяго-Гонзалес, Гай Савард и Адриан Валверде), Техническия университет в Дармщат в Германия и Съоръжението за редки изотопни снопове в щата Мичиган университет.
ATLANTIS е достъпен за сътрудничещи си институции за извършване на измервания с колинеарна лазерна спектроскопия за различни изследователски нужди. За да проучите възможностите за сътрудничество, свържете се с Maass.
