Een lang gekoesterd mysterie op het gebied van kernfysica is waarom het universum is samengesteld uit de specifieke materialen die we om ons heen zien. Met andere woorden, waarom is het gemaakt van 'dit' materiaal en niet van ander materiaal?

Met name van belang zijn de fysieke processen die verantwoordelijk zijn voor de productie van zware elementen, zoals goud, platina en uranium - waarvan wordt gedacht dat ze gebeuren tijdens fusies van neutronensterren en explosieve stellaire gebeurtenissen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) leidden een internationaal kernfysica-experiment bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, dat gebruik maakt van nieuwe technieken die in Argonne zijn ontwikkeld om de aard en oorsprong van zware elementen in het universum te bestuderen. De studie kan kritische inzichten opleveren in de processen die samenwerken om de exotische kernen te creëren, en het zal modellen van stellaire gebeurtenissen en het vroege heelal informeren.

De kernfysici in de samenwerking zijn de eersten die de neutronenschilstructuur van een kern met minder protonen dan lood en meer dan 126 neutronen observeren - "magische getallen" op het gebied van kernfysica.

Bij deze magische getallen, waarvan 8, 20, 28, 50 en 126 zijn canonieke waarden, kernen hebben verbeterde stabiliteit, net zoals de edelgassen doen met gesloten elektronenschillen. Kernen met neutronen boven het magische getal van 126 zijn grotendeels onontgonnen omdat ze moeilijk te produceren zijn. Kennis van hun gedrag is cruciaal voor het begrijpen van het snelle neutronenvangstproces, of R -Verwerken, dat veel van de zware elementen in het universum produceert.

De R -proces wordt verondersteld plaats te vinden in extreme stellaire omstandigheden zoals neutronensterfusies of supernova's. In deze neutronenrijke omgevingen kunnen kernen snel groeien, het vangen van neutronen om nieuwe en zwaardere elementen te produceren voordat ze de kans krijgen om te vervallen.

Dit experiment was gericht op de kwikisotoop ²⁰⁷ Hg. De studie van ²⁰⁷ Hg zou licht kunnen werpen op de eigenschappen van zijn naaste buren, kernen die direct betrokken zijn bij belangrijke aspecten van de R -Verwerken.

"Een van de grootste vragen van deze eeuw was hoe de elementen zich aan het begin van het universum vormden, " zei Argonne natuurkundige Ben Kay, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Het is moeilijk om onderzoek te doen, omdat we niet zomaar een supernova uit de aarde kunnen opgraven, dus we moeten deze extreme omgevingen creëren en de reacties bestuderen die daarin plaatsvinden."

Om de structuur van te bestuderen ²⁰⁷ Hg, de onderzoekers gebruikten voor het eerst de HIE-ISOLDE-faciliteit bij CERN in Genève, Zwitserland. Een hoogenergetische bundel protonen werd afgevuurd op een gesmolten loden doelwit, met de resulterende botsingen die honderden exotische en radioactieve isotopen produceren.

Ze gingen toen uit elkaar ²⁰⁶ Hg-kernen uit de andere fragmenten en gebruikten de HIE-ISOLDE-versneller van CERN om een ​​straal van de kernen te creëren met de hoogste energie die ooit in die versnellerfaciliteit is bereikt. Vervolgens focusten ze de straal op een deuteriumdoel in de nieuwe ISOLDE Solenoidal Spectrometer (ISS).

"Geen enkele andere faciliteit kan kwikstralen van deze massa maken en ze versnellen tot deze energieën, " zei Kay. "Dit, in combinatie met het uitstekende oplossend vermogen van het ISS, stelde ons in staat om het spectrum van aangeslagen toestanden te observeren in ²⁰⁷ Hg voor de eerste keer."

Het ISS is een nieuw ontwikkelde magnetische spectrometer die de kernfysici gebruikten om gevallen te detecteren van: ²⁰⁶ Hg-kernen die een neutron vangen en worden ²⁰⁷ Hg. De elektromagnetische magneet van de spectrometer is een gerecyclede supergeleidende MRI-magneet van 4 Tesla uit een ziekenhuis in Australië. Het is verplaatst naar CERN en geïnstalleerd bij ISOLDE, dankzij een door het VK geleide samenwerking tussen de Universiteit van Liverpool, Universiteit van Manchester, Daresbury Laboratory en medewerkers van de KU Leuven in België.

deuterium, een zeldzame zware isotoop van waterstof, bestaat uit een proton en een neutron. Wanneer ²⁰⁶ Hg vangt een neutron van het deuteriumdoelwit, het proton deinst terug. De protonen die tijdens deze reacties worden uitgezonden, reizen naar de detector in het ISS, en hun energie en positie leveren belangrijke informatie op over de structuur van de kern en hoe deze met elkaar verbonden is. Deze eigenschappen hebben een grote impact op de R -Verwerken, en de resultaten kunnen belangrijke berekeningen in modellen van nucleaire astrofysica informeren.

Het ISS maakt gebruik van een baanbrekend concept voorgesteld door Argonne, een vooraanstaande collega John Schiffer, dat werd gebouwd als de spiraalvormige orbitale spectrometer van het laboratorium. HELIOS — het instrument dat de inspiratie vormde voor de ontwikkeling van de ISS-spectrometer. HELIOS heeft de verkenning van nucleaire eigenschappen mogelijk gemaakt die ooit onmogelijk te bestuderen waren, maar dankzij HELIOS, worden sinds 2008 in Argonne uitgevoerd. De ISOLDE-faciliteit van CERN kan kernbundels produceren die een aanvulling vormen op de kernen die in Argonne kunnen worden gemaakt.

Voor de afgelopen eeuw, kernfysici hebben informatie over kernen kunnen verzamelen uit de studie van botsingen waarbij lichtionenbundels zware doelen raken. Echter, wanneer zware stralen lichte doelen raken, de fysica van de botsing wordt vervormd en moeilijker te ontleden. Het HELIOS-concept van Argonne was de oplossing om deze vervorming op te heffen.

"Als je een kanonskogel van een straal hebt die een kwetsbaar doel raakt, de kinematica verandert, en de resulterende spectra worden gecomprimeerd, " zei Kay. "Maar John Schiffer realiseerde zich dat wanneer de botsing plaatsvindt in een magneet, de uitgezonden protonen reizen in een spiraalpatroon naar de detector, en door een wiskundige 'truc', dit ontvouwt de kinematische compressie, wat resulteert in een ongecomprimeerd spectrum dat de onderliggende nucleaire structuur onthult."

De eerste analyses van de gegevens van het CERN-experiment bevestigen de theoretische voorspellingen van de huidige nucleaire modellen, en het team is van plan om andere kernen in de regio van ²⁰⁷ Hg met behulp van deze nieuwe mogelijkheden, dieper inzicht geven in de onbekende gebieden van de kernfysica en de R -Verwerken.

De resultaten van dit onderzoek zijn op 13 februari gepubliceerd in een artikel met de titel "First exploratie of neutron shell structure under lead and beyond N =126". Fysieke beoordelingsbrieven .