Veel zware elementen, zoals goud, worden verondersteld te worden gevormd in kosmische omgevingen die rijk zijn aan neutronen - denk aan supernova's of fusies van neutronensterren. In deze extreme instellingen, atoomkernen kunnen snel neutronen vangen en zwaarder worden, nieuwe elementen creëren. Aan de verre uithoeken van de nucleaire kaart, die alle bekende kernen rangschikt op basis van hun aantal protonen en neutronen, liggen onontgonnen kernen die cruciaal zijn om de details van dit snelle neutronenvangstproces te begrijpen. Dit is vooral het geval voor kernen met minder dan 82 protonen en meer dan 126 neutronen.

Onderzoekers die gebruik maken van CERN's kernfysica-faciliteit ISOLDE zijn nu in dit bijna onbekende gebied van de nucleaire kaart gestapt met een eerste studie van de neutronenstructuur van de kwikisotoop ²⁰⁷ Hg. Deze isotoop is niet direct betrokken bij het snelle neutronenvangstproces, of "r-proces, " maar het is een relatief naaste buur van r-proceskernen die in dit bijna onontgonnen gebied liggen. Als zodanig, ²⁰⁷ Hg zou kunnen helpen enkele van de nucleaire geheimen van r-proceskernen te onthullen en zo licht werpen op de oorsprong van zware elementen.

Om de neutronenstructuur van te bestuderen ²⁰⁷ Hg, de onderzoekers namen eerst ²⁰⁶ Hg-isotopen die samen met honderden andere exotische isotopen bij ISOLDE werden geproduceerd door een protonenstraal van 1,4 miljard elektronvolt van de Proton Synchrotron Booster op een gesmolten looddoel af te vuren. De ²⁰⁶ Hg isotopen, die één neutron minder in de kern hebben dan ²⁰⁷ Hg, werden vervolgens versneld in de HIE-ISOLDE-versneller van de faciliteit tot een energie van ongeveer 1,52 miljard elektronvolt - de hoogste energie ooit bereikt bij HIE-ISOLDE. De onderzoekers richtten vervolgens de ²⁰⁶ Hg-isotopen op een deuteriumdoelwit in de ISOLDE Solenoidal Spectrometer (ISS), een nieuw ontwikkelde magnetische spectrometer die gebeurtenissen kon onthullen waarin de ²⁰⁶ Hg-isotopen vingen een neutron en veranderden in opgewonden ²⁰⁷ Hg isotopen.

Uit de analyse van deze gebeurtenissen, de onderzoekers bepaalden de bindingsenergieën van de nucleaire orbitalen waarin het neutron wordt gevangen, dat is, de mate waarin het gevangen neutron is gebonden aan de andere neutronen en protonen. Vervolgens voerden ze deze resultaten in theoretische modellen van het r-proces in om deze modellen te testen en uit te dagen.

"Dit resultaat markeert de eerste verkenning van de neutronenstructuur van de ²⁰⁷ Hg kern, de weg vrijmaken voor toekomstige experimentele studies, met het ISS-instrument bij ISOLDE en bij kernfysische faciliteiten van de volgende generatie, van de bijna onbekende nucleaire regio waar ²⁰⁷ Hg leugens, ", zegt hoofdonderzoeker Ben Kay van het Argonne National Laboratory, waar de techniek die ten grondslag ligt aan het ISS werd gepionierd.

"Deze studie was mogelijk dankzij drie dingen:het voltooide HIE-ISOLDE-versnellersysteem, waarmee nu radioactieve isotopen kunnen worden versneld tot energieën van bijna 10 miljoen elektronvolt per proton of neutron; de installatie van het ISS, een voormalige MRI-magneet die is hergebruikt voor studies van exotische kernen door een samenwerking uit het VK, België en CERN; en, Tenslotte, een deeltjesdetectorsysteem dat werd geleverd door het Argonne National Laboratory en waarmee het experiment kon worden uitgevoerd net voor het begin van de voortdurende stopzetting van het acceleratorcomplex van CERN, ", legt ISOLDE-woordvoerder Gerda Neyens uit.