Ein neuartiges Gerät im Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat äußerst präzise Messungen instabiler Rutheniumkerne durchgeführt. Die Messungen stellen einen bedeutenden Meilenstein in der Kernphysik dar, da sie den Vorhersagen hochentwickelter Kernmodelle sehr nahe kommen.
„Es ist für theoretische Modelle sehr schwierig, die Eigenschaften komplexer, instabiler Kerne vorherzusagen“, sagte Bernhard Maass, Assistenzphysiker am Argonne und Hauptautor der Studie. „Wir haben gezeigt, dass eine Klasse fortschrittlicher Modelle dies genau tun kann. Unsere Ergebnisse helfen bei der Validierung der Modelle.“
Die Validierung der Modelle kann Vertrauen in ihre Vorhersagen über astrophysikalische Prozesse aufbauen. Dazu gehören die Entstehung, Entwicklung und Explosion von Sternen, bei denen Elemente entstehen.
Die Studie wurde veröffentlicht inBriefe zur körperlichen Untersuchung.
Es besteht die Notwendigkeit, theoretische Modelle zu validieren
Kernphysiker entwickeln fortschrittlichere theoretische Modelle, um die Eigenschaften instabiler Atomkerne mit komplizierten Strukturen, Formen und Kräften präzise vorherzusagen. Solche Modelle haben das Potenzial, unser Verständnis des Innenlebens von Atomkernen zu vertiefen.
Es ist jedoch wichtig, die Genauigkeit dieser Modelle zu demonstrieren, bevor sie dazu verwendet werden können, die Grenzen der Wissenschaft zu erweitern. Dies erfordert die schwierige Aufgabe, präzise, reale -Messungen komplexer Kerne zu sammeln und die Messungen mit den Vorhersagen der Modelle zu vergleichen.
Ruthenium ist ein ideales Element zur Validierung fortgeschrittener theoretischer Modelle. Dieses seltene Metall hat Isotope-Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen und unterschiedlicher Stabilität-von denen bekannt ist, dass sie Kerne mit komplexen Strukturen und Formen haben. Es gibt eine Reihe instabiler, radioaktiver Rutheniumisotope, von denen angenommen wird, dass sie eine dreiachsige Form haben, ähnlich einer Mandel oder einer Kaffeebohne.
Messung der Eigenschaften von Ruthenium
Das Forschungsteam nutzte das Gerät Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS), um neun radioaktive Rutheniumisotope zu messen. Dieses neue Gerät wurde im Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) installiert.
ATLAS ist eine DOE-Benutzereinrichtung in Argonne mit einem supraleitenden Linearbeschleuniger zur Untersuchung der Eigenschaften von Kernen.
Die Forscher erhielten Zugang zu radioaktiven Rutheniumisotopen von einem anderen ATLAS-Instrument, dem Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU kann radioaktives Ruthenium durch Spaltung einer kleinen Menge Kalifornien- liefern, einem seltenen, hochradioaktiven Element.
„Die Rutheniumisotope, die wir untersucht haben, zerfallen nur eine Sekunde lang in andere Elemente“, sagte Maass. „ATLANTIS führt eine Technik namens kollineare Laserspektroskopie durch. Sie ermöglicht es uns, in weniger als einer Sekunde Messungen an sehr kleinen Mengen dieser Isotope zu sammeln.“
Mit ATLANTIS richteten die Forscher einen Laserstrahl auf die gleiche Bahn wie einen Strahl aus Rutheniumatomen. Bei bestimmten Laserfrequenzen wurden die Atome angeregt und begannen zu fluoreszieren, was darauf hindeutete, dass Lichtphotonen emittiert wurden. Das Team identifizierte die Laserfrequenzen, bei denen die Photonenemissionen ihren Höhepunkt erreichten. Dieser Vorgang wurde für die neun Rutheniumisotope wiederholt. Für jedes Isotop verschob sich der Emissionspeak zu einer leicht unterschiedlichen Frequenz.
„Aus dieser Isotopenverschiebung können wir die Unterschiede in der Kerngröße der Isotope ableiten“, sagte Maass.
Das Team verglich diese Größenänderungen mit Vorhersagen von Modellen des Brussels-Skyrme-on-a-Grid (BSkG), die zu den weltweit fortschrittlichsten Modellen für Kernstrukturen gehören. Im Gegensatz zu älteren, traditionellen Kernmodellen berücksichtigen sie die spezifischen Kräfte und Wechselwirkungen zwischen allen Neutronen und Protonen in einem Kern.
Die Forscher fanden eine hervorragende Übereinstimmung zwischen ihren Ergebnissen und den Vorhersagen der BSkG-Modelle, was auf die Robustheit der Modelle hinweist.
Um präzise Messungen zu ermöglichen, entwickelte das Team insbesondere auch die Technologie der kollinearen Laserspektroskopie weiter. Konkret entwickelten und implementierten sie wirksame neue Techniken, die den Atomstrahl neutralisieren und ihn in Impulse „bündeln“.
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Implikationen für die Astrophysik
Die Studie zeigte, dass BSkG-Modelle mit bemerkenswerter Genauigkeit Vorhersagen über instabile, dreiachsige Kerne treffen können. Solche leistungsstarken Modelle könnten Astrophysikern helfen, Aufschluss über die Funktionsweise des Universums zu geben.
„Astrophysiker wissen, dass instabile, radioaktive Kerne eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Sternen und Elementen im Universum spielen“, sagte Maass.
„Um unser Universum besser zu verstehen, müssen wir wissen, wie Kerne aufgebaut sind und wie sie interagieren. Wir müssen in der Lage sein, Eigenschaften exotischer Kerne vorherzusagen, die in modernen Teilchenbeschleunigern nicht erzeugt werden können.“
Drei der Autoren der Studie haben die BSkG-Modelle entwickelt: Wouter Ryssens und Guilherme Grams, beide von der Université libre de Bruxelles in Belgien, und Michael Bender vom Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon in Frankreich.
Neben Maass, Ryssens, Grams und Bender waren die Experimente und der Bau von ATLANTIS eine Zusammenarbeit von Forschern aus den Argonnen (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard und Adrian Valverde), der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland und der Facility for Rare Isotope Beams der Michigan State University.
ATLANTIS steht kooperierenden Institutionen zur Durchführung kollinearer Laserspektroskopiemessungen für eine Vielzahl von Forschungsanforderungen zur Verfügung. Um Möglichkeiten zur Zusammenarbeit zu erkunden, wenden Sie sich an Maass.
