Een nieuw experiment meet de vervaltijd van een exotische kern

Een multi-institutioneel team van wetenschappelijke gebruikers heeft de resultaten van het eerste wetenschappelijke experiment in de faciliteit voor Rare Isotope Beams gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven. Het experiment bestudeerde het verval van isotopen die zo onstabiel zijn dat ze slechts milliseconden bestaan. Om het onderzoek uit te voeren, werden zeldzame isotopen gezaaid in het midden van een gevoelige detector die bekend staat als een FRIB-vervalstation-initiator. Krediet: Faciliteit voor zeldzame isotopenstralen

Een nieuwe studie onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft de tijd gemeten die verschillende soorten exotische kernen nodig hebben om te vervallen. Paper vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenvertegenwoordigt het eerste experimentele resultaat van de Facility for Rare Isotope Bundles (FRIB), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit beheerd door Michigan State University.

Wetenschappers gebruikten een unieke methode om kernen, de verzameling protonen en neutronen in het hart van atomen, beter te begrijpen. Door deze bouwstenen te begrijpen, kunnen wetenschappers hun beste modellen verbeteren en heeft het toepassingen in de geneeskunde, de nationale veiligheid en de industrie.

“De breedte van de faciliteit en de programma’s die worden nagestreefd, zijn echt opwindend om te zien”, zegt Heather Crawford, een natuurkundige van Berkeley Lab en hoofdspreker voor het eerste FRIB-experiment. “Er zal onderzoek worden gedaan op verschillende gebieden die van invloed zullen zijn op dingen waar we nog niet aan hebben gedacht. Er is veel ontdekkingspotentieel.”

De eerste ervaring is slechts een voorproefje van wat er gaat gebeuren in de faciliteit, die de komende jaren 400 keer krachtiger zal worden. “Het wordt echt spannend – verbluffend, eerlijk gezegd”, zei Crawford.

Bij het eerste experiment waren meer dan 50 deelnemers van tien universiteiten en nationale laboratoria betrokken. De studie keek naar isotopen van verschillende elementen. Isotopen zijn variaties van een bepaald element; Ze hebben hetzelfde aantal protonen, maar ze kunnen verschillende aantallen neutronen hebben.

De onderzoekers concentreerden zich op onstabiele isotopen in de buurt van de ‘druppellijn’, de plek waar neutronen niet langer aan de kern kunnen binden. In plaats daarvan vallen alle extra neutronen eraf, zoals water uit een verzadigde keukenspons.

De onderzoekers sloegen een straal stabiele calcium-48-kernen kapot die met ongeveer 60% van de lichtsnelheid naar een berylliumdoelwit reisden. Het calcium werd gefragmenteerd, wat resulteerde in een groot aantal isotopen die werden gescheiden, individueel geïdentificeerd en afgeleverd aan een gevoelige detector die meet hoe lang het duurt om te vervallen. Resultaten? Eerste gerapporteerde metingen van de halfwaardetijden van vijf met neutronen beladen exotische isotopen van fosfor, silicium, aluminium en magnesium.

Halfwaardetijdmetingen (misschien beter bekend van toepassingen in Koolstof geschiedenis) is een van de eerste dingen die onderzoekers kunnen opmerken aan deze kortlevende deeltjes. Basisinformatie over kernen aan de grenzen van hun bestaan ​​biedt een nuttige test voor verschillende modellen van de atomaire wereld.

“Dit is een fundamentele wetenschappelijke vraag, maar het sluit aan bij het grotere plaatje van het veld”, zei Crawford. “Ons doel is niet alleen om deze kernen te beschrijven, maar alle soorten kernen. Deze modellen helpen ons de hiaten op te vullen, waardoor we betrouwbaarder dingen kunnen voorspellen die we nog niet hebben kunnen meten.”

Meer volledige theorieën helpen bij het bevorderen van onderzoek op gebieden zoals astrofysica en kernfysica– bijvoorbeeld begrijpen hoe elementen worden gevormd in supernova’s of hoe processen zich ontvouwen in kernreactoren.

Crawford en het team zijn van plan om het halfwaardetijd-experiment volgend jaar opnieuw te herhalen, gebruikmakend van de extra bundelintensiteit die het aantal geproduceerde isotopen zal vergroten, waaronder zeldzame isotopen nabij de neutronendruppellijn. In de tussentijd zullen andere groepen gebruik maken van de vele bundellijnen en hulpmiddelen van de faciliteit.

“Het online brengen van de faciliteit was een enorme inspanning van veel mensen en iets waar de gemeenschap al lang naar uitkeek”, aldus Crawford. “Ik ben opgewonden dat ik jong genoeg ben om daar de komende decennia van te blijven profiteren.”

Meerdere instellingen werkten samen aan het eerste experiment, met onderzoekers van Argonne National Laboratory (ANL), Berkeley Lab, Brookhaven National Laboratory, Florida State University, FRIB, Lawrence Livermore National Laboratory, Louisiana State University, Los Alamos National Laboratory, Mississippi State University, Oak Lab Ridge National (ORNL) en Universiteit van Tennessee Knoxville (UTK).

Wetenschappers van ORNL, UTK, ANL en FRIB leidden de samenwerking om de instrumenten te leveren die worden gebruikt in de FRIB Decay Station-initiator, een gevoelig detectiesysteem dat isotopen meet.