Создание элементов в лаборатории углубляет понимание

Министерство энергетики / Национальная лаборатория Ок-Риджа

видео: В этой анимации мощная нейтронная звезда (справа) питается от звезды-компаньона. Ядерные реакции на поверхности нейтронной звезды могут возобновиться, создавая сложную смесь реагентов.посмотреть больше

Фото: Жаклин ДеМинк/ORNL, Министерство энергетики США.

Под руководством Келли Чиппс из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики ученые, работающие в лаборатории, создали характерную ядерную реакцию, которая происходит на поверхности нейтронной звезды, поглощающей массу звезды-компаньона. Их достижение улучшает понимание звездных процессов, генерирующих разнообразные ядерные изотопы.

«Нейтронные звезды действительно интересны с точки зрения как ядерной физики, так и астрофизики», — сказала ядерный астрофизик ORNL Келли Чиппс, возглавлявшая исследование, опубликованное в Physical Review Letters. «Более глубокое понимание их динамики может помочь раскрыть космические рецепты элементов во всем, от людей до планет».

Чиппс возглавляет Центр реактивных экспериментов в области ядерной структуры и астрофизики (JENSA), в котором сотрудничают девять институтов из трех стран. Команда использует уникальную газоструйную мишенную систему, которая производит самую высокую в мире струю гелия для экспериментов на ускорителе, чтобы понять ядерные реакции, которые протекают по той же физике на Земле, что и в космическом пространстве.

Процесс нуклеосинтеза создает новые атомные ядра. Один элемент может превратиться в другой, когда протоны или нейтроны захватываются, обмениваются или выбрасываются.

Нейтронная звезда обладает огромным гравитационным притяжением, которое может захватывать водород и гелий у ближайшей звезды. Материал накапливается на поверхности нейтронной звезды, пока не воспламеняется в повторяющихся взрывах, которые создают новые химические элементы.

Многие ядерные реакции, приводившие в действие взрывы, остаются неизученными. Теперь сотрудники JENSA произвели одну из этих характерных ядерных реакций в лаборатории Мичиганского государственного университета. Это напрямую ограничивает теоретическую модель, обычно используемую для прогнозирования образования элементов, и улучшает понимание динамики звезд, генерирующих изотопы.

Система JENSA, созданная в ORNL, а теперь и в Установке для пучков редких изотопов, пользовательском центре Министерства энергетики США, которым управляет МГУ, обеспечивает мишень из легкого газа, плотного, чистого и локализованного в пределах пары миллиметров. JENSA также станет основной мишенью для сепаратора реакций захвата, или SECAR, детекторной системы во FRIB, которая позволяет экспериментальным ядерным астрофизикам напрямую измерять реакции, которые приводят в действие взрывающиеся звезды. Соавтор Майкл Смит из ORNL и Чиппс являются членами проектной группы SECAR.

В рамках текущего эксперимента ученые поразили мишень из альфа-частиц (ядра гелия-4) лучом аргона-34. (Число после изотопа указывает общее количество протонов и нейтронов.) В результате этого синтеза образовались ядра кальция-38, которые содержат 20 протонов и 18 нейтронов. Поскольку эти ядра были возбуждены, они выбрасывали протоны и в конечном итоге превратились в ядра калия-37.

Детекторы заряженных частиц высокого разрешения, окружающие газовую струю, точно измеряли энергии и углы продуктов протонной реакции. В измерениях использовались детекторы и электроника, разработанные в ORNL под руководством физика-ядерщика Стивена Пейна. Приняв во внимание сохранение энергии и импульса, физики провели обратный расчет, чтобы обнаружить динамику реакции.

«Мы не только знаем, сколько реакций произошло, но также знаем удельную энергию, в которой оказалось последнее ядро ​​калия-37, что является одним из компонентов, предсказанных теоретической моделью», — сказал Чиппс.

Лабораторный эксперимент улучшает понимание ядерных реакций, которые происходят, когда материал падает на поверхность важной группы нейтронных звезд. Эти звезды рождаются, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует в сферу шириной примерно с такой город, как Атланта, штат Джорджия. Затем гравитация сжимает фундаментальные частицы как можно ближе друг к другу, создавая самую плотную материю, которую мы можем наблюдать непосредственно. Одна чайная ложка нейтронной звезды весила бы столько же, сколько гора. Звезды, наполненные нейтронами, вращаются быстрее, чем лопасти блендера, и образуют самые сильные магниты во Вселенной. У них есть твердые корки, окружающие жидкие ядра, содержащие материал в форме спагетти или лапши лазаньи, за что их прозвали «ядерными макаронами».