Voor de eerste keer, natuurkundigen van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en hun medewerkers, geleid door een team van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger, toonde een lang theoretisch nucleair effect aan. Deze vooruitgang test theoretische modellen die beschrijven hoe nucleaire en atomaire rijken op elkaar inwerken en kan ook nieuwe inzichten opleveren in hoe sterelementen worden gemaakt.

Natuurkundigen voorspelden eerst het effect, genaamd nucleaire excitatie door elektronenvangst (NEEC), meer dan 40 jaar geleden. Maar wetenschappers hadden het tot nu toe niet gezien. Met behulp van het Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), en gammasfeer, een krachtige gammastralingsspectrometer, de onderzoekers creëerden de juiste omstandigheden om het gedrag te veroorzaken en te herkennen.

Het NEEC-effect treedt op wanneer een geladen atoom een ​​elektron vangt, waardoor de atoomkern genoeg energie krijgt om naar een hogere aangeslagen toestand te springen.

Een aangeslagen kern blijft een tijdje in elke energietoestand voordat hij vervalt in de toestand eronder, energie afgeven in de vorm van gammastraling. Deze aangeslagen toestanden duren doorgaans veel minder dan een miljardste van een seconde, maar in enkele zeldzame gevallen, ze kunnen veel langer leven, zelfs voor miljoenen keren de leeftijd van het heelal.

De langer levende energietoestanden worden isomeren genoemd, en om het NEEC-effect te observeren, de onderzoekers maakten een isomeer met een halfwaardetijd van ongeveer zeven uur. Met andere woorden, na zeven uur bestaan ​​in het isomere energieniveau, ongeveer de helft van de kernen van dit type zal vervallen.

De wetenschappers kozen ervoor om deze kern te produceren, genaamd ⁹³ ma, een isotoop van molybdeen, vanwege zijn unieke rangschikking van energieniveaus. "Er is een toegestaan ​​energieniveau niet ver boven de isomeertoestand, " zei Chris Chiara van het Army Research Laboratory, hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Onder normale omstandigheden, het isomeer zal na ongeveer zeven uur op natuurlijke wijze vervallen, maar als NEEC optreedt, de kern wordt geëxciteerd uit het isomeer naar de iets hogere toestand. Die toestand vervalt dan snel tot een toestand onder de isomeer, gammastralen uitzenden die verschillende energieën hebben waarnaar we kunnen zoeken."

Maken ⁹³ ma, de onderzoekers gebruikten ATLAS, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om een ​​ionenstraal naar de atomen in een doelfolie te versnellen waar de kernen van de twee samensmolten. Deze reacties vormden ⁹³ Mo in een zeer aangeslagen toestand in het centrum van Gammasfeer, die wachtte om bewijs van het effect in de vorm van gammastraling te detecteren.

als de ⁹³ Mo-atomen bewegen door het doelmateriaal, ze botsen op atomen die ze vertragen en ze van elektronen ontdoen, door ze in een hoge laadtoestand te brengen. Elektronen van de doelatomen vullen dan die vacatures in de ⁹³ ma, en als de elektronen de juiste energie hebben voor de vangst, ze kunnen de kern prikkelen naar de volgende hoogste staat. Wanneer deze toestand vervalt, de kern geeft een gammastraling af die terug te voeren is op de NEEC-reactie.

Het doelwit, gemaakt door de interne doelmaker van ATLAS, John Groen, speelde een cruciale rol bij het opsporen van NEEC. Greene kon on the fly werken, het doel aanpassen naarmate de wetenschappers meer leerden over de ⁹³ Mo kern. Met alles op zijn plaats, het team begon gegevens te verzamelen.

"We hebben gammastralen van deze reacties gedetecteerd in de loop van het driedaagse experiment, en we hebben in totaal ongeveer acht miljard evenementen verzameld, " zei Mike Carpenter, een groepsleider bij Argonne die verantwoordelijk is voor Gammasphere. "Van deze gebeurtenissen we waren in staat om ongeveer 500 gammastralen te identificeren die werden uitgezonden tijdens het verval van ⁹³ Mo die niet zou zijn uitgebracht als NEEC er niet was geweest."

De kracht en gevoeligheid van Gammasphere waren essentieel voor het succes van het experiment. "We hebben gebruik gemaakt van een nieuwe digitale Gammasphere-modus, waardoor we met een snelheid van ongeveer vijf keer hoger konden werken dan mogelijk zou zijn geweest met het oudere analoge systeem, " zei Chiara. Maar het was niet alleen de hardware bij ATLAS die belangrijk was. "Als experts op het gebied van gammastraalspectroscopie, het personeel van Argonne bood onschatbare wetenschappelijke en technische ondersteuning, " hij voegde toe.

Het succes van het team kan leiden tot vooruitgang in de astronomie en kosmologie, omdat het de nauwkeurigheid zou kunnen verbeteren van modellen die wetenschappers gebruiken om te meten hoe sterren zich vormen. De hoeveelheden elementen in een ster hangen grotendeels af van de structuur en het gedrag van kernen. Over lange periodes, en met grote aantallen atomen die op elkaar inwerken, de overleving of vernietiging van specifieke isomeren kan een cumulatieve invloed hebben. Rekening houden met het NEEC-effect zou ons begrip kunnen verbeteren van waaruit sterren zijn gemaakt en hoe ze evolueren.

Wetenschappers van het Army Research Laboratory zijn ook geïnteresseerd in mogelijke toekomstige toepassingen voor het gecontroleerd vrijkomen van kernenergie uit isomeren via het NEEC-effect. Als wetenschappers en ingenieurs deze energie konden benutten, het kan helpen bij het ontwikkelen van stroombronnen met 100, 000 keer meer energie per massa-eenheid dan chemische batterijen.

De resultaten van het experiment werden gepubliceerd in een paper met de titel "Isomeer depletion as experimenteel bewijs van nucleaire excitatie door elektronenvangst, " op 8 februari in Natuur .