Un nou aparat de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) a făcut măsurători extrem de precise ale nucleelor instabile de ruteniu. Măsurătorile reprezintă o piatră de hotar semnificativă în fizica nucleară, deoarece se potrivesc îndeaproape cu predicțiile făcute de modele nucleare sofisticate.
„Este foarte dificil pentru modelele teoretice să prezică proprietățile nucleelor complexe și instabile”, a spus Bernhard Maass, fizician asistent la Argonne și autorul principal al studiului. „Am demonstrat că o clasă de modele avansate poate face acest lucru cu precizie. Rezultatele noastre ajută la validarea modelelor”.
Validarea modelelor poate crea încredere în predicțiile lor despre procesele astrofizice. Acestea includ formarea, evoluția și exploziile stelelor în care sunt create elemente.
Studiul a fost publicat înScrisori de revizuire fizică.
O necesitate de validare a modelelor teoretice
Fizicienii nucleari dezvoltă modele teoretice mai avansate pentru a prezice cu precizie proprietățile nucleelor atomice instabile cu structuri, forme și forțe complicate. Astfel de modele au potențialul de a ne aprofunda înțelegerea funcționării interioare a nucleelor atomice.
Cu toate acestea, este esențial să se demonstreze acuratețea acestor modele înainte de a putea fi utilizate pentru a depăși frontierele științei. Acest lucru necesită sarcina dificilă de a colecta măsurători precise,-lumea reală a nucleelor complexe și de a compara măsurătorile cu predicțiile modelelor.
Ruteniul este un element ideal pentru validarea modelelor teoretice avansate. Acest metal rar are izotopi-atomi ai aceluiași element cu un număr diferit de neutroni și o stabilitate variabilă-cunoscută ca având nuclee cu structuri și forme complexe. Există o serie de izotopi de ruteniu instabili, radioactivi, despre care se crede că au o formă triaxială, asemănătoare cu o migdale sau boabe de cafea.
Măsurarea proprietăților ruteniului
Echipa de cercetare a folosit linia de fascicul laser Argonne Tandem Hall pentru aparatul Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) pentru a măsura nouă izotopi radioactivi de ruteniu. Acest nou dispozitiv a fost instalat la Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS este o facilitate de utilizator DOE la Argonne cu un accelerator liniar supraconductor conceput pentru a studia proprietățile nucleelor.
Cercetătorii au obținut acces la izotopii radioactivi de ruteniu de la un alt instrument ATLAS, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU poate furniza ruteniu radioactiv prin fisiunea unei cantități mici de californiu-un element rar, foarte radioactiv.
„Izotopii de ruteniu pe care i-am studiat durează doar o secundă înainte de a se descompune în alte elemente”, a spus Maass. „ATLANTIS efectuează o tehnică numită spectroscopie laser coliniară. Ne permite să colectăm măsurători pe cantități foarte mici din acești izotopi în mai puțin de o secundă”.
Folosind ATLANTIS, cercetătorii au direcționat un fascicul laser pe aceeași cale ca și un fascicul de atomi de ruteniu. La anumite frecvențe laser, atomii au fost excitați și au început să fluoresce, ceea ce indică faptul că au fost emiși fotoni de lumină. Echipa a identificat frecvențele laser la care emisiile de fotoni au atins vârful. Acest proces a fost repetat pentru cei nouă izotopi de ruteniu. Pentru fiecare izotop, vârful de emisie s-a deplasat la o frecvență ușor diferită.
„Putem folosi această schimbare a izotopilor pentru a deriva diferențele dintre dimensiunile nucleare ale izotopilor”, a spus Maass.
Echipa a comparat aceste modificări de dimensiune cu predicțiile de la Bruxelles-Skyrme-pe-a-modele de rețea (BSkG), care sunt printre cele mai avansate din lume pentru structura nucleară. Spre deosebire de modelele nucleare tradiționale mai vechi, ele țin cont de forțele și interacțiunile specifice dintre toți neutronii și protonii dintr-un nucleu.
Cercetătorii au găsit un acord excelent între rezultatele lor și predicțiile din modelele BSkG, indicând robustețea modelelor.
În special, încercând să permită măsurători precise, echipa a avansat și tehnologia de spectroscopie laser coliniară. Mai exact, au dezvoltat și implementat noi tehnici eficiente care neutralizează fasciculul de atom și îl „grupează” în impulsuri.
Descoperiți cele mai noi științe, tehnologie și spațiu cu over100.000 de abonațicare se bazează pe Phys.org pentru informații zilnice. Înscrieți-vă pentru buletinul nostru informativ gratuit și primiți actualizări despre descoperiri, inovații și cercetări care contează-zilnic sau săptămânal.
Abonați-vă
Implicații pentru astrofizică
Studiul a arătat că modelele BSkG pot face predicții ale nucleelor instabile, triaxiale, cu o acuratețe remarcabilă. Astfel de modele puternice îi pot ajuta pe astrofizicieni să facă lumină asupra modului în care funcționează universul.
„Astrofizicienii știu că nucleele instabile, radioactive, joacă un rol important în formarea stelelor și a elementelor din univers”, a spus Maass.
„Pentru a înțelege mai bine universul nostru, trebuie să știm cum sunt structurate nucleele și cum interacționează. Trebuie să putem prezice proprietățile nucleelor exotice care nu pot fi produse în acceleratoarele de particule moderne”.
Trei dintre autorii studiului au dezvoltat modelele BSkG: Wouter Ryssens și Guilherme Grams, ambii de la Université libre de Bruxelles din Belgia, și Michael Bender de la Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon din Franța.
Pe lângă Maass, Ryssens, Grams și Bender, experimentele și construcția ATLANTIS au fost o colaborare între cercetători din Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard și Adrian Valverde), Universitatea Tehnică din Darmstadt din Germania și Facility for State University of Michigan State.
ATLANTIS este disponibil pentru instituțiile colaboratoare pentru a efectua măsurători coliniare cu spectroscopie laser pentru o varietate de nevoi de cercetare. Pentru a explora oportunitățile de colaborare, contactați Maass.
