מכשיר חדשני במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) ביצע מדידות מדויקות ביותר של גרעיני רותניום לא יציבים. המדידות מהוות אבן דרך משמעותית בפיזיקה גרעינית מכיוון שהן תואמות באופן הדוק את התחזיות שנעשו על ידי מודלים גרעיניים מתוחכמים.
"קשה מאוד למודלים תיאורטיים לחזות את תכונותיהם של גרעינים מורכבים ובלתי יציבים", אמר ברנהרד מאאס, עוזר פיזיקאי ב-Argonne והמחבר הראשי של המחקר. "הוכחנו שכיתה של מודלים מתקדמים יכולים לעשות זאת בצורה מדויקת. התוצאות שלנו עוזרות לאמת את המודלים".
אימות המודלים יכול לבנות אמון בתחזיות שלהם לגבי תהליכים אסטרופיזיים. אלה כוללים היווצרות, התפתחות והתפוצצויות של כוכבים שבהם נוצרים יסודות.
המחקר פורסם במכתבי סקירה פיזית.
צורך לאמת מודלים תיאורטיים
פיזיקאים גרעיניים מפתחים מודלים תיאורטיים מתקדמים יותר כדי לחזות במדויק את התכונות של גרעיני אטום לא יציבים עם מבנים, צורות וכוחות מסובכים. למודלים כאלה יש פוטנציאל להעמיק את הבנתנו את פעולתם הפנימית של גרעיני אטום.
עם זאת, חיוני להדגים את הדיוק של מודלים אלה לפני שניתן יהיה להשתמש בהם כדי לדחוף את גבולות המדע. זה מצריך את המשימה הקשה של איסוף מדידות מדויקות,-מהעולם האמיתי של גרעינים מורכבים והשוואת המדידות עם תחזיות המודלים.
רותניום הוא אלמנט אידיאלי לאימות מודלים תיאורטיים מתקדמים. למתכת נדירה זו יש איזוטופים -אטומים של אותו יסוד עם מספר שונה של נויטרונים ויציבות משתנה- הידועים כבעלי גרעינים עם מבנים וצורות מורכבות. ישנן סדרה של איזוטופים רותניום לא יציבים ורדיואקטיביים שלדעתם יש צורה משולשת, בדומה לשקד או פולי קפה.
מדידת תכונות הרותניום
צוות המחקר השתמש במכשיר Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) כדי למדוד תשעה איזוטופים רותניום רדיואקטיביים. התקן חדש זה הותקן במערכת ה-Argonne Tandem Linac Accelerator (ATLAS).
ATLAS הוא מתקן משתמש של DOE בארגון עם מאיץ ליניארי מוליך-על שנועד לחקור את תכונות הגרעינים.
החוקרים קיבלו גישה לאיזוטופים רותניום רדיואקטיביים ממכשיר ATLAS אחר, Californium Rare Isotop Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU יכול לספק רותניום רדיואקטיבי באמצעות ביקוע של כמות קטנה של קליפורניום-, יסוד נדיר ורדיואקטיבי מאוד.
"האיזוטופים של הרותניום שחקרנו מחזיקים מעמד רק שנייה לפני שהם מתפרקים ליסודות אחרים", אמר מאאס. "ATLANTIS מבצעת טכניקה שנקראת ספקטרוסקופיה לייזר קולינארית. היא מאפשרת לנו לאסוף מדידות על כמויות קטנות מאוד של איזוטופים אלה תוך פחות משנייה".
באמצעות ATLANTIS, החוקרים כיוונו קרן לייזר באותו נתיב כמו קרן של אטומי רותניום. בתדרי לייזר מסוימים, האטומים התרגשו והחלו להאיר, דבר המעיד על כך שנפלטו פוטוני אור. הצוות זיהה את תדרי הלייזר שבהם פליטת הפוטונים הגיעה לשיא. תהליך זה חזר על עצמו עבור תשעת האיזוטופים של הרותניום. עבור כל איזוטופ, שיא הפליטה עבר לתדר מעט שונה.
"אנו יכולים להשתמש בשינוי האיזוטופים הזה כדי לגזור את ההבדלים בגדלים הגרעיניים של האיזוטופים", אמר מאאס.
הצוות השווה את שינויי הגודל הללו עם תחזיות מדגמי בריסל-Skyrme-on-a-Grid (BSkG), שהם מהמתקדמים בעולם למבנה גרעיני. בניגוד למודלים גרעיניים ישנים ומסורתיים, הם מסבירים את הכוחות והאינטראקציות הספציפיות בין כל הנייטרונים והפרוטונים בגרעין.
החוקרים מצאו התאמה מצוינת בין התוצאות שלהם לתחזיות ממודלים של BSkG, מה שמצביע על חוסנם של המודלים.
במיוחד, בניסיון לאפשר מדידות מדויקות, הצוות גם התקדם בטכנולוגיית ספקטרוסקופיה של לייזר קולינארית. באופן ספציפי, הם פיתחו ויישמו טכניקות חדשות יעילות המנטרלות את קרן האטום ו"צרור" אותה לפולסים.
גלה את החידושים האחרונים בתחום המדע, הטכנולוגיה והחלל עם מעל100,000 מנוייםשמסתמכים על Phys.org לתובנות יומיומיות. הירשם לניוזלטר החינמי שלנו וקבל עדכונים על פריצות דרך, חידושים ומחקר חשובים-יומי או שבועי.
הירשם
השלכות על האסטרופיזיקה
המחקר הראה כי מודלים של BSkG יכולים לבצע תחזיות של גרעינים תלת-ציריים לא יציבים בדיוק מדהים. מודלים רבי עוצמה כאלה עשויים לעזור לאסטרופיזיקאים לשפוך אור על איך היקום פועל.
"אסטרופיזיקאים יודעים שלגרעינים לא יציבים ורדיואקטיביים יש תפקיד חשוב ביצירת כוכבים ויסודות ביקום", אמר מאאס.
"כדי להבין טוב יותר את היקום שלנו, אנחנו צריכים לדעת איך גרעינים בנויים וכיצד הם מתקשרים. אנחנו צריכים להיות מסוגלים לחזות תכונות של גרעינים אקזוטיים שלא ניתן לייצר במאיצי חלקיקים מודרניים".
שלושה מחברי המחקר פיתחו את המודלים של BSkG: Wouter Ryssens ו-Guilherme Grams, שניהם מאוניברסיטת בריסל בבלגיה, ומייקל בנדר מה-Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon בצרפת.
בנוסף ל-Maass, Ryssens, Grams ובנדר, הניסויים והבנייה של ATLANTIS היו שיתוף פעולה בין חוקרים מ-Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard and Adrian Valverde), האוניברסיטה הטכנית של Darmstadt בגרמניה והמתקן של מדינת Beam Isotop במישיגן.
ATLANTIS זמינה עבור מוסדות משתפים פעולה לביצוע מדידות ספקטרוסקופיה בלייזר קולינאריות עבור מגוון צורכי מחקר. כדי לבחון הזדמנויות לשיתוף פעולה, צור קשר עם Maass.
