Новый прибор в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) провел чрезвычайно точные измерения нестабильных ядер рутения. Эти измерения являются важной вехой в ядерной физике, поскольку они точно соответствуют предсказаниям, сделанным сложными ядерными моделями.
«Теоретическим моделям очень сложно предсказать свойства сложных нестабильных ядер», — сказал Бернхард Маасс, помощник физика из Аргонна и ведущий автор исследования. «Мы продемонстрировали, что класс продвинутых моделей может делать это точно. Наши результаты помогают проверить модели».
Проверка моделей может повысить доверие к их предсказаниям об астрофизических процессах. К ним относятся образование, эволюция и взрывы звезд, в результате которых создаются элементы.
Исследование было опубликовано вПисьма о физических отзывах.
Необходимость проверки теоретических моделей
Физики-ядерщики разрабатывают более совершенные теоретические модели для точного предсказания свойств нестабильных атомных ядер со сложной структурой, формой и силами. Такие модели могут углубить наше понимание внутреннего устройства атомных ядер.
Однако важно продемонстрировать точность этих моделей, прежде чем их можно будет использовать для расширения границ науки. Это требует сложной задачи по сбору точных, реальных-мировых измерений сложных ядер и сравнению этих измерений с предсказаниями моделей.
Рутений является идеальным элементом для проверки передовых теоретических моделей. Этот редкий металл имеет изотопы-атомов одного и того же элемента с разным числом нейтронов и разной стабильностью-известно, что он имеет ядра сложной структуры и формы. Существует ряд нестабильных радиоактивных изотопов рутения, которые, как полагают, имеют трехосную форму, похожую на миндальное или кофейное зерно.
Измерение свойств рутения
Исследовательская группа использовала аппарат Аргоннской тандемной лазерной линии для атомной и ионной спектроскопии (ATLANTIS) для измерения девяти радиоактивных изотопов рутения. Это новое устройство было установлено на Аргоннском тандемном линейном ускорителе (ATLAS).
ATLAS — это пользовательский центр Министерства энергетики в Аргонне со сверхпроводящим линейным ускорителем, предназначенным для изучения свойств ядер.
Исследователи получили доступ к радиоактивным изотопам рутения с помощью другого инструмента ATLAS — Калифорнийского бридера редких изотопов (CARIBU). CARIBU может доставлять радиоактивный рутений путем деления небольшого количества калифорния-редкого высокорадиоактивного элемента.
«Изотопы рутения, которые мы изучали, существуют всего секунду, прежде чем распадаются на другие элементы», — сказал Маасс. «АТЛАНТИС использует метод, называемый коллинеарной лазерной спектроскопией. Он позволяет нам проводить измерения очень малых количеств этих изотопов менее чем за секунду».
С помощью ATLANTIS исследователи направили лазерный луч по той же траектории, что и луч атомов рутения. При определенных частотах лазера атомы возбуждались и начинали флуоресцировать, что указывает на испускание световых фотонов. Команда определила лазерные частоты, на которых излучение фотонов достигает максимума. Этот процесс был повторен для девяти изотопов рутения. Для каждого изотопа пик излучения смещался к несколько разной частоте.
«Мы можем использовать этот изотопный сдвиг, чтобы определить различия в размерах ядер изотопов», — сказал Маасс.
Команда сравнила эти изменения размеров с предсказаниями моделей Брюсселя-Скирма-on-a-Grid (BSkG), которые являются одними из самых передовых в мире для определения структуры ядра. В отличие от старых традиционных ядерных моделей, они учитывают специфические силы и взаимодействия между всеми нейтронами и протонами в ядре.
Исследователи обнаружили превосходное согласие между своими результатами и предсказаниями моделей BSkG, что указывает на надежность моделей.
Примечательно, что, пытаясь обеспечить точные измерения, команда также разработала технологию коллинеарной лазерной спектроскопии. В частности, они разработали и внедрили новые эффективные методы, которые нейтрализуют пучок атомов и «сгруппируют» его в импульсы.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса с помощью более чем100 000 подписчиковкоторые полагаются на Phys.org для получения ежедневной информации. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте новости о прорывах, инновациях и важных исследованиях.-ежедневно или еженедельно.
Подписаться
Последствия для астрофизики
Исследование показало, что модели BSkG могут прогнозировать нестабильные трехосные ядра с поразительной точностью. Такие мощные модели могут помочь астрофизикам пролить свет на то, как устроена Вселенная.
«Астрофизики знают, что нестабильные радиоактивные ядра играют важную роль в формировании звезд и элементов во Вселенной», — сказал Маасс.
«Чтобы лучше понять нашу Вселенную, нам нужно знать, как структурированы ядра и как они взаимодействуют. Нам нужно уметь предсказывать свойства экзотических ядер, которые невозможно получить в современных ускорителях частиц».
Модели BSkG разработали трое авторов исследования: Воутер Риссенс и Гильерме Грамс из Свободного университета Брюсселя в Бельгии, а также Майкл Бендер из Института физики 2-х Infinis де Лион во Франции.
Помимо Маасса, Риссенса, Грэмса и Бендера, эксперименты и строительство АТЛАНТИС осуществлялись совместно исследователями из Аргонны (Дэниел Бёрдетт, Джейсон Кларк, Питер Мюллер, Даниэль Сантьяго-Гонсалес, Гай Савар и Адриан Вальверде), Технического университета Дармштадта в Германии и Центра по изучению пучков редких изотопов Мичиганского государственного университета.
ATLANTIS доступен сотрудничающим учреждениям для проведения измерений коллинеарной лазерной спектроскопии для различных исследовательских нужд. Чтобы изучить возможности сотрудничества, свяжитесь с Маассом.
