De oude Grieken dachten dat alles in de natuurlijke wereld van hun godin Physis kwam; haar naam is de bron van het woord natuurkunde. Hedendaagse kernfysici van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een eigen GODIN gemaakt:een detector die inzicht geeft in astrofysische kernreacties die de elementen produceren die zwaarder zijn dan waterstof (deze lichtste van alle elementen is gemaakt direct na de oerknal) .

Onderzoekers ontwikkelden een ultramoderne detector voor geladen deeltjes bij ORNL, de Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, of ORRUBA, om reacties te bestuderen met bundels van astrofysisch belangrijke radioactieve kernen. Onlangs, zijn siliciumdetectoren werden geüpgraded en stevig verpakt om het voor te bereiden om samen te werken met grote op germanium gebaseerde gammastraaldetectoren, zoals gammasfeer, en het volgende generatie detectorsysteem voor het volgen van gammastraling, GRETINA. Het resultaat is GODDESS—Gammasphere/GRETINA ORRUBA:Dual Detectors for Experimental Structure Studies.

Met millimeterpositieresolutie, GODDESS registreert emissies van reacties die plaatsvinden als energetische stralen van radioactieve kernen protonen en neutronen winnen of verliezen en gammastralen of geladen deeltjes uitzenden, zoals protonen, deuteronen, tritonen, helium-3 of alfadeeltjes.

"De geladen deeltjes in de siliciumdetectoren vertellen ons hoe de kern werd gevormd, en de gammastralen vertellen ons hoe het verging, ", legt Steven Pain van de afdeling Natuurkunde van ORNL uit. "We voegen de twee gegevenssets samen en gebruiken ze alsof ze één detector zijn voor een compleet beeld van de reactie."

Eerder dit jaar, Pijn leidde meer dan 50 wetenschappers van 12 instellingen in GODDESS-experimenten om de kosmische oorsprong van de elementen te begrijpen. Hij is hoofdonderzoeker van twee experimenten en co-hoofdonderzoeker van een derde. De data-analyse van de complexe experimenten zal naar verwachting twee jaar in beslag nemen.

"Bijna alle zware stabiele kernen in het universum worden gecreëerd door onstabiele kernen die reageren en vervolgens terugkeren naar stabiliteit, ' zei pijn.

Een eeuw nucleaire transmutatie

In 1911 was Ernest Rutherford verbaasd te zien dat alfadeeltjes - zwaar en positief geladen - soms achteruit stuiterden. Hij concludeerde dat ze iets extreem dichts en positief geladen moeten hebben geraakt - alleen mogelijk als bijna alle massa van een atoom in het midden was geconcentreerd. Hij had de atoomkern ontdekt. Hij ging verder met het bestuderen van de nucleonen - protonen en neutronen - waaruit de kern bestaat en die worden omgeven door schillen van ronddraaiende elektronen.

Het ene element kan in het andere veranderen wanneer nucleonen worden gevangen, uitgewisseld of uitgestoten. Wanneer dit in sterren gebeurt, het heet nucleosynthese. Rutherford stuitte op dit proces in het laboratorium door een abnormaal resultaat in een reeks deeltjesverstrooiingsexperimenten. De eerste kunstmatige nucleaire transmutatie reageerde stikstof-14 met een alfadeeltje om zuurstof-17 en een proton te creëren. De prestatie werd gepubliceerd in 1919, het zaaien van vooruitgang in de nieuw uitgevonden nevelkamer, ontdekkingen over kortlevende kernen (die 90% van de kernen uitmaken), en experimenten die tot op de dag van vandaag een topprioriteit zijn voor de natuurkunde.

"Een eeuw geleden, de eerste kernreactie van stabiele isotopen werd afgeleid door menselijke waarnemers die lichtflitsen met een microscoop telden, " merkte pijn op, wie is de "achter-achterkleinzoon" van Rutherford in academische zin:zijn Ph.D. scriptieadviseur was Wilton Catford, wiens adviseur Kenneth Allen was, wiens adviseur William Burcham was, wiens adviseur Rutherford was. "Vandaag, geavanceerde detectoren zoals GODDESS stellen ons in staat om te verkennen, met grote gevoeligheid, reacties van de moeilijk toegankelijke onstabiele radioactieve kernen die de astrofysische explosies veroorzaken die veel van de stabiele elementen om ons heen genereren."

Thermonucleaire op hol geslagen begrijpen

Eén experiment dat Pain leidde, concentreerde zich op fosfor-30, wat belangrijk is voor het begrijpen van bepaalde thermonucleaire weglopers. "We willen nucleosynthese in nova-explosies begrijpen - de meest voorkomende stellaire explosies, " zei hij. Een nova komt voor in een binair systeem waarin een witte dwerg door zwaartekracht waterstofrijk materiaal van een nabijgelegen "metgezel"-ster trekt totdat thermonucleaire op hol geslagen wordt en de oppervlaktelaag van de witte dwerg explodeert. De as van deze explosies verandert de chemische samenstelling van de melkweg.

Rajesh Ghimire, afgestudeerde student aan de Universiteit van Tennessee, analyseert de gegevens van het fosforexperiment, die een neutron van deuterium in een doelwit overbracht op een intense straal van de kortlevende radioactieve isotoop fosfor-30. De deeltjes- en gammastralingsdetectoren zagen wat er tevoorschijn kwam, correleren tijden, plaatsen en energieën van proton- en gammastraling.

De fosfor-30-kern heeft een sterke invloed op de verhoudingen van de meeste zwaardere elementen die tijdens een nova-explosie worden geproduceerd. Als de fosfor-30-reacties worden begrepen, de elementaire verhoudingen kunnen worden gebruikt om de piektemperatuur te meten die de nova bereikte. "Dat is iets dat iemand met een telescoop kan zien, ' zei pijn.

Verhelderende creatie van zware elementen

Het tweede experiment dat Pain leidde, transmuteerde een veel zwaardere isotoop, telluur-134. "Deze kern is betrokken bij het snelle invangproces van neutronen, of r proces, dat is de manier waarop de helft van de elementen zwaarder dan ijzer worden gevormd in het universum, Pijn gerelateerd. Het komt voor in een omgeving met veel vrije neutronen, misschien supernova's of fusies van neutronensterren. We weten dat het gebeurt, omdat we de elementen om ons heen zien, maar we weten nog steeds niet precies waar en hoe het gebeurt."

Het begrijpen van r-proces-nucleosynthese zal een belangrijke activiteit zijn bij de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit die naar verwachting in 2022 aan de Michigan State University (MSU) wordt geopend. FRIB zal ontdekkingen over zeldzame isotopen mogelijk maken, nucleaire astrofysica en fundamentele interacties, en toepassingen in de geneeskunde, binnenlandse veiligheid en industrie.

"Het r-proces is een zeer, zeer ingewikkeld netwerk van reacties; veel, er gaan veel stukjes in, "Pijn benadrukte. "Je kunt niet één experiment doen en het antwoord hebben."

Het tellurium-134-experiment begint met radioactief californium gemaakt bij ORNL en geïnstalleerd in het Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij Argonne National Laboratory. De californium splijting spontaan, met tellurium-134 onder de producten. Een straal tellurium-134 wordt versneld tot een deuteriumdoelwit en absorbeert een neutron, daarbij een proton uitspugen. "Tellurium-134 komt binnen, maar tellurium-135 gaat uit, "Pijn samengevat.

"We detecteren dat proton in de siliciumdetectoren van GODDESS. Het tellurium-135 gaat verder langs de bundellijn. De energie en hoek van het proton vertellen ons over het tellurium-135 dat we hebben gecreëerd - het kan in zijn grondtoestand zijn of in een van een aantal aangeslagen toestanden. De aangeslagen toestanden vervallen door het uitzenden van een gammastraal." De germaniumdetectoren onthullen de energie van de gammastralen met een ongekende resolutie om te laten zien hoe de kern verviel. Dan gaat de kern een gasdetector binnen, het creëren van een spoor van geïoniseerd gas waaruit de verwijderde elektronen worden verzameld. Door de energie te meten die in verschillende delen van de detector is afgezet, kunnen onderzoekers de kern definitief identificeren.

Rutgers-afstudeerstudent Chad Ummel concentreert zich op de analyse van het experiment. zei pijn, "We proberen de rol van deze tellurium-134-kern in het r-proces op verschillende potentiële astrofysische locaties te begrijpen. De reactiestroom in dit netwerk van neutronenvangreacties beïnvloedt de abundanties van de gecreëerde elementen. We moeten dit netwerk begrijpen om begrijp de oorsprong van de zware elementen."

Toekomst van de GODIN

De onderzoekers zullen doorgaan met het ontwikkelen van apparatuur en technieken voor het huidige gebruik van GODDESS in Argonne en MSU en toekomstig gebruik bij FRIB, die ongekende toegang zal geven tot veel onstabiele kernen die momenteel buiten bereik zijn. Toekomstige experimenten zullen twee strategieën gebruiken.

Men gebruikt snelle bundels van kernen die zijn gefragmenteerd in andere kernen. Pain vergelijkt de diverse nucleaire producten met een hele dierentuin die in chaos door de bundellijn raast. De snel bewegende kernen gaan door een reeks magneten die de gewenste "zebra's" selecteren en ongewenste "giraffen, " "Gnus" en "nijlpaarden."

De andere benadering stopt de ionen met een materiaal, re-ioniseert ze, versnelt ze vervolgens opnieuw voordat ze radioactief kunnen vervallen. verklaarde pijn, "Hiermee kun je alle zebra's bijeendrijven, kalmeer ze, breng ze dan ordelijk in de richting, snelheid en snelheid die u wilt."

De elementen temmen die planeten en mensen mogelijk maken - dat is inderdaad het domein van een natuurkundige GODIN.