Новый эксперимент измеряет время распада экзотических ядер
Новое исследование, проведенное Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), измерило, сколько времени требуется для распада нескольких видов экзотических ядер. Статья, опубликованная сегодня в журнале Physical Review Letters, знаменует собой первый экспериментальный результат, полученный на Установке для пучков редких изотопов (FRIB), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США, которым управляет Мичиганский государственный университет.
Многопрофильная группа научных пользователей опубликовала результаты первого научного эксперимента на Установке для пучков редких изотопов в журнале Physical Review Letters. В эксперименте изучался распад изотопов, настолько нестабильных, что они существуют только доли секунды. Для проведения исследования редкие изотопы были имплантированы в центр чувствительного детектора, известного как инициатор FRIB Decay Station. Предоставлено: Установка для пучков редких изотопов.
Ученые использовали единственную в своем роде установку, чтобы лучше понять ядра, совокупность протонов и нейтронов, обнаруженных в основе атомов. Понимание этих основных строительных блоков позволяет ученым совершенствовать свои лучшие модели и находит применение в медицине, национальной безопасности и промышленности.
«Широта объекта и реализуемые программы действительно захватывающие», — сказала Хизер Кроуфорд, физик из лаборатории Беркли и ведущий представитель первого эксперимента FRIB. «Исследования будут проводиться в разных областях, которые повлияют на вещи, о которых мы даже не думали. У нас так много потенциала для открытий».
Первый эксперимент — это лишь малая часть того, что будет на установке, которая в ближайшие годы станет в 400 раз мощнее. «Это будет действительно захватывающе — сногсшибательно, если честно», — сказал Кроуфорд.
В первом эксперименте приняли участие более 50 участников из десяти университетов и национальных лабораторий. В исследовании рассматривались изотопы нескольких элементов. Изотопы — это вариации определенного элемента; они имеют одинаковое количество протонов, но могут иметь разное количество нейтронов.
Предоставлено: Университет штата Мичиган.
Исследователи сосредоточились на нестабильных изотопах вблизи «линии капельного полива», месте, где нейтроны больше не могут связываться с ядром. Вместо этого любые дополнительные нейтроны стекают, как вода с пропитанной кухонной губки.
Исследователи столкнули луч стабильных ядер кальция-48, движущихся со скоростью около 60% скорости света, в бериллиевую мишень. Кальций фрагментировался, производя множество изотопов, которые были разделены, индивидуально идентифицированы и доставлены в чувствительный детектор, который измерял, сколько времени им понадобилось для распада. Результат? Первые сообщения об измерениях периодов полураспада пяти экзотических изотопов фосфора, кремния, алюминия и магния, насыщенных нейтронами.
Измерения периода полураспада (возможно, наиболее известные из приложений для датирования по углероду) — одна из первых вещей, которые исследователи могут наблюдать в отношении этих короткоживущих частиц. Фундаментальная информация о ядрах на пределе их существования дает полезный тест для различных моделей атомного мира.
«Это основной научный вопрос, но он связан с более широкой картиной в этой области», — сказал Кроуфорд. «Наша цель — описать не только эти ядра, но и все виды ядер. Эти модели помогают нам заполнить пробелы, что помогает нам более надежно предсказывать вещи, которые мы еще не смогли измерить».
Более полные теории помогают продвигать исследования в таких областях, как астрофизика и ядерная физика — например, понимание того, как элементы образуются во взрывающихся звездах или как процессы разворачиваются в ядерных реакторах.
Кроуфорд и его команда планируют снова повторить эксперимент с периодом полураспада в следующем году, воспользовавшись дополнительной интенсивностью пучка, которая увеличит количество производимых изотопов, в том числе редких изотопов вблизи границы нейтронного потока. В то же время, другие группы будут использовать множество каналов и инструментов объекта.
«Подключение объекта к сети было большим усилием многих людей, и сообщество давно с нетерпением ждало этого», — сказал Кроуфорд. «Я рад, что я достаточно молод, чтобы продолжать пользоваться этим в течение следующих нескольких десятилетий».
Несколько учреждений сотрудничали в первом эксперименте с исследователями из Аргоннской национальной лаборатории (ANL), лаборатории Беркли, Брукхейвенской национальной лаборатории, Университета штата Флорида, FRIB, Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Университета штата Луизиана, Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Государственного университета Миссисипи, Ок. Национальная лаборатория Риджа (ORNL) и Университет Теннесси в Ноксвилле (UTK).
Ученые из ORNL, UTK, ANL и FRIB возглавили совместную работу по предоставлению инструментов, используемых в инициаторе станции распада FRIB, чувствительной детекторной системы, которая измеряла изотопы.
