En ny apparat vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har gjort extremt exakta mätningar av instabila ruteniumkärnor. Mätningarna är en betydande milstolpe inom kärnfysik eftersom de nära överensstämmer med förutsägelser gjorda av sofistikerade kärntekniska modeller.
"Det är mycket svårt för teoretiska modeller att förutsäga egenskaperna hos komplexa, instabila kärnor", säger Bernhard Maass, biträdande fysiker vid Argonne och studiens huvudförfattare. "Vi har visat att en klass av avancerade modeller kan göra detta exakt. Våra resultat hjälper till att validera modellerna."
Validering av modellerna kan bygga förtroende för deras förutsägelser om astrofysiska processer. Dessa inkluderar bildandet, utvecklingen och explosioner av stjärnor där element skapas.
Studien publicerades iFysiska granskningsbrev.
Ett behov av att validera teoretiska modeller
Kärnfysiker utvecklar mer avancerade teoretiska modeller för att exakt förutsäga egenskaperna hos instabila atomkärnor med komplicerade strukturer, former och krafter. Sådana modeller har potential att fördjupa vår förståelse av atomkärnors inre funktion.
Det är dock viktigt att visa noggrannheten hos dessa modeller innan de kan användas för att tänja på vetenskapens gränser. Detta kräver den svåra uppgiften att samla in exakta, verkliga-mätningar av komplexa kärnor och jämföra mätningarna med modellernas förutsägelser.
Ruthenium är ett idealiskt element för att validera avancerade teoretiska modeller. Denna sällsynta metall har isotoper-atomer av samma grundämne med olika antal neutroner och varierande stabilitet-kända för att ha kärnor med komplexa strukturer och former. Det finns en serie instabila, radioaktiva ruteniumisotoper som tros ha en triaxiell form, liknande en mandel- eller kaffeböna.
Mätning av ruteniums egenskaper
Forskargruppen använde Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) apparat för att mäta nio radioaktiva ruteniumisotoper. Denna nya enhet installerades vid Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS är en DOE-användaranläggning i Argonne med en supraledande linjäraccelerator designad för att studera egenskaperna hos kärnor.
Forskarna fick tillgång till radioaktiva ruteniumisotoper från ett annat ATLAS-instrument, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU kan leverera radioaktivt rutenium genom klyvning av en liten mängd kalifornium-ett sällsynt, mycket radioaktivt grundämne.
"Ruteniumisotoperna som vi studerade varar bara en sekund innan de sönderfaller till andra grundämnen," sa Maass. "ATLANTIS utför en teknik som kallas kolinjär laserspektroskopi. Den tillåter oss att samla in mätningar på mycket små mängder av dessa isotoper på mindre än en sekund."
Med hjälp av ATLANTIS riktade forskarna en laserstråle längs samma väg som en stråle av ruteniumatomer. Vid vissa laserfrekvenser exciterades atomerna och började fluorescera, vilket indikerar att ljusfotoner emitterades. Teamet identifierade laserfrekvenserna vid vilka fotonemissionerna nådde en topp. Denna process upprepades för de nio ruteniumisotoperna. För varje isotop skiftade emissionstoppen till en något annorlunda frekvens.
"Vi kan använda detta isotopskifte för att härleda skillnaderna i isotopernas nukleära storlekar," sa Maass.
Teamet jämförde dessa storleksförändringar med prognoser från Bryssel-Skyrme-on-a-Grid-modeller (BSkG), som är bland världens mest avancerade för kärnkraftsstrukturer. Till skillnad från äldre, traditionella kärnkraftsmodeller står de för de specifika krafterna och interaktionerna mellan alla neutroner och protoner i en kärna.
Forskarna fann utmärkt överensstämmelse mellan deras resultat och förutsägelser från BSkG-modeller, vilket pekar på modellernas robusthet.
Speciellt, i försöken att möjliggöra exakta mätningar, avancerade teamet också kolinjär laserspektroskopi. Specifikt utvecklade och implementerade de effektiva nya tekniker som neutraliserar atomstrålen och "buntar" den till pulser.
Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymd med över100 000 prenumerantersom förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt kostnadsfria nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något-dagligen eller veckovis.
Prenumerera
Implikationer för astrofysik
Studien visade att BSkG-modeller kan göra förutsägelser av instabila, triaxiala kärnor med anmärkningsvärd noggrannhet. Sådana kraftfulla modeller kan hjälpa astrofysiker att kasta ljus över hur universum fungerar.
"Astrofysiker vet att instabila, radioaktiva kärnor spelar en viktig roll i bildandet av stjärnor och element i universum", säger Maass.
"För att bättre förstå vårt universum behöver vi veta hur kärnor är uppbyggda och hur de interagerar. Vi måste kunna förutsäga egenskaper hos exotiska kärnor som inte kan produceras i moderna partikelacceleratorer."
Tre av studiens författare utvecklade BSkG-modellerna: Wouter Ryssens och Guilherme Grams, båda från Université libre de Bruxelles i Belgien, och Michael Bender från Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon i Frankrike.
Förutom Maass, Ryssens, Grams och Bender var experimenten och konstruktionen av ATLANTIS ett samarbete mellan forskare från Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard och Adrian Valverde), Darmstadts tekniska universitet i Tyskland och State University of Be Rare Isotop i Michigan.
ATLANTIS är tillgängligt för samverkande institutioner för att utföra kolinjär laserspektroskopi för en mängd olika forskningsbehov. För att utforska samarbetsmöjligheter, kontakta Maass.
