Eine neue Studie unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums hat gemessen, wie lange es dauert, bis verschiedene Arten exotischer Kerne zerfallen. Das heute erschienene Papier in Briefe zur körperlichen Überprüfungmarkiert das erste experimentelle Ergebnis der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die von der Michigan State University betrieben wird.
Wissenschaftler nutzten die einzigartige Einrichtung, um Kerne, die Ansammlung von Protonen und Neutronen im Herzen von Atomen, besser zu verstehen. Das Verständnis dieser grundlegenden Bausteine ermöglicht es Wissenschaftlern, ihre besten Modelle zu verfeinern, und findet Anwendung in der Medizin, der nationalen Sicherheit und der Industrie.
„Die Breite der Einrichtung und die Programme, die verfolgt werden, sind wirklich spannend anzusehen“, sagte Heather Crawford, Physikerin am Berkeley Lab und leitende Sprecherin des ersten FRIB-Experiments. „Forschung wird in verschiedenen Bereichen herauskommen, die Dinge beeinflussen werden, an die wir noch nicht einmal gedacht haben. Es gibt so viel Entdeckungspotenzial.“
Das erste Experiment ist nur ein kleiner Vorgeschmack auf die Zukunft der Anlage, die in den kommenden Jahren 400-mal leistungsfähiger werden wird. „Es wird wirklich aufregend – ehrlich gesagt überwältigend“, sagte Crawford.
An dem ersten Experiment waren mehr als 50 Teilnehmer aus zehn Universitäten und nationalen Labors beteiligt. Die Studie befasste sich mit Isotopen mehrerer Elemente. Isotope sind Variationen eines bestimmten Elements; Sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, können aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben.
Bildnachweis: Michigan State University
Die Forscher konzentrierten sich auf instabile Isotope in der Nähe der „Tropflinie“, der Stelle, an der Neutronen nicht mehr an einen Kern binden können. Stattdessen perlen zusätzliche Neutronen ab, wie Wasser von einem vollgesogenen Küchenschwamm.
Die Forscher haben einen Strahl aus stabilen Calcium-48-Kernen, der sich mit etwa 60 % der Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, auf ein Beryllium-Target geschleudert. Das Kalzium zersplitterte und produzierte eine Reihe von Isotopen, die getrennt, einzeln identifiziert und an einen empfindlichen Detektor geliefert wurden, der maß, wie lange es dauerte, bis sie zerfallen waren. Das Ergebnis? Die ersten berichteten Messungen von Halbwertszeiten für fünf exotische, neutronenbeladene Isotope von Phosphor, Silizium, Aluminium und Magnesium.
Halbwertszeitmessungen (vielleicht am besten bekannt aus Anwendungen in der Kohlenstoffdatierung) sind eines der ersten Dinge, die Forscher an diesen kurzlebigen Partikeln beobachten können. Die grundlegenden Informationen über Kerne an den Grenzen ihrer Existenz bieten einen nützlichen Test für verschiedene Modelle der atomaren Welt.
„Dies ist eine grundlegende wissenschaftliche Frage, aber sie verbindet sich mit dem Gesamtbild des Feldes“, sagte Crawford. „Unser Ziel ist es, nicht nur diese Kerne zu beschreiben, sondern alle Arten von Kernen. Diese Modelle helfen uns, die Lücken zu füllen, was uns hilft, Dinge zuverlässiger vorherzusagen, die wir noch nicht messen konnten.“
Vollständigere Theorien helfen, die Forschung in Bereichen wie Astrophysik und Kernphysik voranzutreiben – beispielsweise um zu verstehen, wie sich Elemente in explodierenden Sternen bilden oder wie sich Prozesse in Kernreaktoren abspielen.
Crawford und das Team planen, das Halbwertszeit-Experiment im nächsten Jahr erneut zu wiederholen und dabei die zusätzliche Strahlintensität zu nutzen, die die Anzahl der produzierten Isotope erhöht, einschließlich seltener Isotope in der Nähe der Neutronen-Tropfleitung. In der Zwischenzeit werden andere Gruppen die vielen Beamlines und Instrumente der Einrichtung nutzen.
„Die Einrichtung online zu bringen, war eine große Anstrengung vieler Menschen und etwas, worauf sich die Community schon lange gefreut hat“, sagte Crawford. „Ich freue mich, dass ich jung genug bin, um die nächsten Jahrzehnte davon zu profitieren.“
Beim ersten Experiment arbeiteten mehrere Institutionen mit Forschern des Argonne National Laboratory (ANL), des Berkeley Lab, des Brookhaven National Laboratory, der Florida State University, des FRIB, des Lawrence Livermore National Laboratory, der Louisiana State University, des Los Alamos National Laboratory, der Mississippi State University, Oak, zusammen Ridge National Laboratory (ORNL) und der University of Tennessee Knoxville (UTK).
Wissenschaftler von ORNL, UTK, ANL und FRIB leiteten die Zusammenarbeit, um die Instrumente bereitzustellen, die im Initiator der FRIB-Zerfallsstation verwendet werden, dem empfindlichen Detektorsystem, das die Isotope maß.
Mehr Informationen:
HL Crawford et al, Crossing N=28 Toward the Neutron Drip Line: First Measurement of Half-Lifes at FRIB, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.212501