Een nieuw apparaat van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft uiterst nauwkeurige metingen uitgevoerd van onstabiele rutheniumkernen. De metingen zijn een belangrijke mijlpaal in de kernfysica omdat ze nauw aansluiten bij de voorspellingen van geavanceerde nucleaire modellen.
"Het is erg moeilijk voor theoretische modellen om de eigenschappen van complexe, onstabiele kernen te voorspellen", zegt Bernhard Maass, assistent-fysicus bij Argonne en hoofdauteur van het onderzoek. "We hebben aangetoond dat een klasse geavanceerde modellen dit nauwkeurig kan doen. Onze resultaten helpen de modellen te valideren."
Het valideren van de modellen kan het vertrouwen vergroten in hun voorspellingen over astrofysische processen. Deze omvatten de vorming, evolutie en explosies van sterren waarbij elementen worden gecreëerd.
Het onderzoek is gepubliceerd inFysieke beoordelingsbrieven.
Een noodzaak om theoretische modellen te valideren
Kernfysici ontwikkelen steeds geavanceerdere theoretische modellen om de eigenschappen van onstabiele atoomkernen met gecompliceerde structuren, vormen en krachten nauwkeurig te voorspellen. Dergelijke modellen hebben het potentieel om ons begrip van de innerlijke werking van atoomkernen te verdiepen.
Het is echter essentieel om de nauwkeurigheid van deze modellen aan te tonen voordat ze kunnen worden gebruikt om de grenzen van de wetenschap te verleggen. Dit vereist de moeilijke taak om nauwkeurige metingen uit de echte-wereld van complexe kernen te verzamelen en deze metingen te vergelijken met de voorspellingen van de modellen.
Ruthenium is een ideaal element om geavanceerde theoretische modellen te valideren. Dit zeldzame metaal heeft isotopen-atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen en variërende stabiliteit-waarvan bekend is dat ze kernen hebben met complexe structuren en vormen. Er is een reeks onstabiele, radioactieve rutheniumisotopen waarvan wordt aangenomen dat ze een triaxiale vorm hebben, vergelijkbaar met een amandel- of koffieboon.
Het meten van de eigenschappen van ruthenium
Het onderzoeksteam gebruikte het Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopie (ATLANTIS) apparaat om negen radioactieve rutheniumisotopen te meten. Dit nieuwe apparaat werd geïnstalleerd op het Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS is een DOE-gebruikersfaciliteit in Argonne met een supergeleidende lineaire versneller die is ontworpen om de eigenschappen van kernen te bestuderen.
De onderzoekers kregen toegang tot radioactieve rutheniumisotopen van een ander ATLAS-instrument, de Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU kan radioactief ruthenium afleveren door splijting van een kleine hoeveelheid californium-een zeldzaam, zeer radioactief element.
"De rutheniumisotopen die we hebben bestudeerd, duren slechts een seconde voordat ze vervallen in andere elementen", zei Maass. "ATLANTIS voert een techniek uit die collineaire laserspectroscopie wordt genoemd. Hiermee kunnen we in minder dan een seconde metingen aan zeer kleine hoeveelheden van deze isotopen verzamelen."
Met behulp van ATLANTIS stuurden de onderzoekers een laserstraal langs hetzelfde pad als een straal rutheniumatomen. Bij bepaalde laserfrequenties werden de atomen opgewonden en begonnen ze te fluoresceren, wat aangeeft dat er lichtfotonen werden uitgezonden. Het team identificeerde de laserfrequenties waarbij de fotonenemissie een piek bereikte. Dit proces werd herhaald voor de negen rutheniumisotopen. Voor elke isotoop verschoof de emissiepiek naar een iets andere frequentie.
"We kunnen deze isotopenverschuiving gebruiken om de verschillen in de nucleaire afmetingen van de isotopen af te leiden", zei Maass.
Het team vergeleek deze veranderingen in grootte met voorspellingen van Brussels-Skyrme-op-a-Grid (BSkG)-modellen, die tot de meest geavanceerde ter wereld behoren op het gebied van nucleaire structuur. In tegenstelling tot oudere, traditionele nucleaire modellen houden ze rekening met de specifieke krachten en interacties tussen alle neutronen en protonen in een kern.
De onderzoekers vonden een uitstekende overeenkomst tussen hun resultaten en de voorspellingen van BSkG-modellen, wat wijst op de robuustheid van de modellen.
In hun poging nauwkeurige metingen mogelijk te maken, heeft het team met name ook de collineaire laserspectroscopietechnologie geavanceerd. Concreet ontwikkelden en implementeerden ze effectieve nieuwe technieken die de atoombundel neutraliseren en deze in pulsen 'bundelen'.
Ontdek het nieuwste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimtevaart met over100.000 abonneesdie op Phys.org vertrouwen voor dagelijkse inzichten. Meld u aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek dat er toe doet-dagelijks of wekelijks.
Abonneren
Implicaties voor astrofysica
Uit het onderzoek bleek dat BSkG-modellen met opmerkelijke nauwkeurigheid voorspellingen kunnen doen over onstabiele, triaxiale kernen. Dergelijke krachtige modellen kunnen astrofysici helpen licht te werpen op hoe het universum werkt.
“Astrofysici weten dat onstabiele, radioactieve kernen een belangrijke rol spelen bij de vorming van sterren en elementen in het universum”, zegt Maass.
"Om ons universum beter te begrijpen, moeten we weten hoe kernen zijn gestructureerd en hoe ze met elkaar omgaan. We moeten eigenschappen van exotische kernen kunnen voorspellen die niet kunnen worden geproduceerd in moderne deeltjesversnellers."
Drie van de auteurs van de studie ontwikkelden de BSkG-modellen: Wouter Ryssens en Guilherme Grams, beiden van de Université libre de Bruxelles in België, en Michael Bender van het Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon in Frankrijk.
Naast Maass, Ryssens, Grams en Bender waren de experimenten en constructie van ATLANTIS een samenwerking tussen onderzoekers uit Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard en Adrian Valverde), de Technische Universiteit van Darmstadt in Duitsland en de Facility for Rare Isotope Beams aan de Michigan State University.
ATLANTIS is beschikbaar voor samenwerkende instellingen om collineaire laserspectroscopiemetingen uit te voeren voor een verscheidenheid aan onderzoeksbehoeften. Neem contact op met Maass om samenwerkingsmogelijkheden te verkennen.
