Особый интерес представляют физические процессы, ответственные за производство тяжелых элементов, таких как золото, платина и уран, которые, как считается, происходят во время слияния нейтронных звезд и взрывных звездных событий.

Вселенная, ядерная физика, изотопы ртути, Hg, золото, платина, уран, CERN

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США провели международный эксперимент по ядерной физике, проведенный в CERN , Европейской организации ядерных исследований, в которой используются новые методы, разработанные в Аргонне, для изучения природы и происхождения тяжелых элементов во Вселенной. 

 

Исследование может дать критическое представление о процессах, которые работают вместе, чтобы создать экзотические ядра, и оно будет информировать модели звездных событий и ранней Вселенной.

Вселенная, ядерная физика, изотопы ртути, Hg, золото, платина, уран, CERN

Ядерные физики наблюдают структуру нейтронной оболочки ядра с меньшим количеством протонов, чем у свинца, и более 126 нейтронов - «магических чисел» в области ядерной физики. На этих магических числах, из которых 8, 20, 28, 50 и 126 - канонические значения, ядра обладают повышенной стабильностью, так же как и благородные газы с закрытыми электронными оболочками. Ядра с нейтронами выше магического числа 126 в основном не исследованы, потому что их трудно произвести. Знание их поведения имеет решающее значение для понимания процесса быстрого захвата нейтронов, или r -процесса, который производит многие из тяжелых элементов во вселенной.

 

 

 

Предполагается, что r- процесс протекает в экстремальных звездных условиях, таких как слияния нейтронных звезд или сверхновых звезд. В этих богатых нейтронами средах ядра могут быстро расти, захватывая нейтроны для производства новых и более тяжелых элементов, прежде чем они смогут распасться.

Вселенная, ядерная физика, изотопы ртути, Hg, золото, платина, уран, CERN

Этот эксперимент сфокусирован на изотопе ртути 207Hg. Исследование 207Hg могло бы пролить свет на свойства его ближайших соседей, ядер, непосредственно вовлеченных в ключевые аспекты r- процесса.

«Одним из самых больших вопросов этого столетия было то, как элементы сформировались в начале Вселенной», - сказал физик Аргонн Бен Кей, ведущий ученый в исследовании. 

Чтобы изучить структуру Hg, исследователи сначала использовали установку HIE-ISOLDE в CERN в Женеве, Швейцария. Высокоэнергетический пучок протонов был направлен на расплавленную свинцовую мишень, и в результате столкновения образовались сотни экзотических и радиоактивных изотопов.

 

Затем они отделили ядра 206Hg от других фрагментов и использовали ускоритель HIE-ISOLDE в ЦЕРН для создания пучка ядер с самой высокой энергией, когда-либо достигнутой на этом ускорителе. Затем они сфокусировали луч на мишени из дейтерия внутри нового Соленоидального спектрометра ISOLDE (ISS).

 

 

«Никакой другой объект не может сделать пучки ртути из этой массы и ускорить их до этих энергий», - сказал Кей. «Это в сочетании с выдающейся разрешающей способностью МКС позволило нам впервые наблюдать спектр возбужденных состояний при 207Hg».

 

МКС - это недавно разработанный магнитный спектрометр, который физики-ядерщики использовали для обнаружения случаев, когда ядра 206Hg захватывают нейтрон и становятся 207Hg. Соленоидальный магнит спектрометра представляет собой переработанный сверхпроводящий магнит МРТ 4-Тесла из больницы в Австралии. Он был перенесен в CERN и установлен в ISOLDE благодаря сотрудничеству под руководством Великобритании между Ливерпульским университетом, Манчестерским университетом, Лабораторией Дарсбери и сотрудниками KU Leuven в Бельгии.

Вселенная, ядерная физика, изотопы ртути, Hg, золото, платина, уран, CERN

Дейтерий, редкий тяжелый изотоп водорода, состоит из протона и нейтрона. Когда 206 Hg захватывает нейтрон от дейтериевой мишени, протон отскакивает. Протоны, испускаемые во время этих реакций, попадают на детектор в МКС, и их энергия и положение дают ключевую информацию о структуре ядра и о том, как оно связано друг с другом. Эти свойства оказывают существенное влияние на r- процесс, и результаты могут помочь в важных вычислениях в моделях ядерной астрофизики.

 

МКС использует новаторскую концепцию, предложенную выдающимся научным сотрудником Аргонн Джоном Шиффером, которая была создана как спиральный орбитальный спектрометр лаборатории, HELIOS - инструмент, который вдохновил на разработку спектрометра МКС. HELIOS позволил исследовать ядерные свойства, которые когда-то было невозможно изучить, но благодаря HELIOS, он проводится в Аргонне с 2008 года. На установке ISOLDE в ЦЕРНе можно производить пучки ядер, которые дополняют те, которые могут быть получены в Аргонне.

В течение прошлого столетия физики-ядерщики смогли собрать информацию о ядрах, изучая столкновения, когда пучки легких ионов поражают тяжелые цели. Однако, когда тяжелые лучи попадают в легкие цели, физика столкновения становится искаженной и более трудной для анализа. Концепция Аргонна HELIOS стала решением для устранения этого искажения.

 

 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!