De poging om GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array) te construeren, een hypermoderne bolvormige reeks van zeer zuivere germaniumkristallen die gammastralingssignalen zullen meten om nieuwe details te onthullen over de structuur en de innerlijke werking van atoomkernen, heeft belangrijke goedkeuringen ontvangen die nodig zijn om door te gaan naar volledige uitbouw.

GRETA, die ook nieuwe inzichten zal verschaffen over de aard van materie en hoe sterren elementen creëren, zal naar verwachting de eerste fase van voltooiing bereiken in 2023, en om de definitieve voltooiing in 2025 te bereiken. Het bouwt voort op het bestaande GRETINA-instrument (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), voltooid in 2011, die minder gammastraling detecterende kristallen bevat. Gammastralen zijn zeer energiek, doordringende vormen van licht die worden uitgezonden als onstabiele atoomkernen vervallen tot stabielere kernen.

Het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft een leidende rol gespeeld in zowel GRETINA als GRETA, en Berkeley Lab kernfysici en ingenieurs werken met teams in de nationale laboratoria van Argonne en Oak Ridge, en Michigan State University, bij de ontwikkeling van GRETA.

Op woensdag, 7 okt. 2020, DOE-functionarissen keurden belangrijke mijlpalen voor het GRETA-project goed, inclusief de omvang van het werk en de planning, en de definitieve bouwtechnische plannen die het project tot voltooiing zullen begeleiden. De formele goedkeuringsstappen staan ​​bekend als Critical Decision 2 en Critical Decision 3 (CD-2 en CD-3).

"De goedkeuringen waren een grote prestatie voor het project en het team. Het markeert de succesvolle afronding van het definitieve ontwerp, en laat zien dat we klaar zijn om de array te bouwen, " zei Paul Fallon, GRETA-projectdirecteur en senior stafwetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab. Een belangrijke volgende stap is het fabriceren van het complex, meter brede aluminium bol die de detectoren zal huisvesten.

Nieuwe gebruikersfaciliteit zal GRETA aan het werk zetten

GRETINA, en later GRETA, zal worden geïnstalleerd in de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) van de Michigan State University, wanneer die faciliteit in 2022 operationeel wordt. Op 29 september FRIB werd officieel aangewezen als het nieuwste lid van de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science. Er zijn nu 28 van deze gebruikersfaciliteiten, die toegankelijk zijn voor wetenschappers uit het hele land en over de hele wereld. Nu al, naar schatting 1, 400 wetenschappelijke gebruikers staan ​​in de rij om deel te nemen aan kernfysica-experimenten bij FRIB zodra die faciliteit in 2022 van start gaat. Nog in aanbouw, FRIB is voor ongeveer 94% voltooid.

GRETINA is uitgerust met 12 detectormodules en 48 detectorkristallen, en GRETA zal 18 extra detectormodules toevoegen, voor in totaal 30 modules en 120 kristallen. Naar verwachting zullen voor eind 2024 ongeveer 18-20 detectormodules in GRETA worden geïnstalleerd, met de laatste modules geïnstalleerd in 2025.

Wanneer de bundels van zeldzame isotopen geproduceerd bij FRIB een vast doelwit raken, ze kunnen verschillende kernreacties ondergaan. Deze reacties kunnen nog meer exotische kernen produceren die een reeks gammastralen uitzenden, die informatie verschaffen over hun interne nucleaire structuur. Isotopen zijn variëteiten van elementen die hetzelfde aantal positief geladen protonen in hun kernen hebben, maar meer of minder ongeladen deeltjes hebben die neutronen worden genoemd in vergelijking met de standaardvorm van een element.

GRETA zal deze doelen volledig omringen om ongelooflijk gedetailleerde gegevens te leveren over de 3D-richting en energie van gammastralen die zich door zijn detectoren voortplanten. Dankzij ultrasnelle elektronica kunnen de detectoren tot 50, 000 signalen per seconde in elk kristal, en een speciaal rekencluster zal realtime signaalverwerking uitvoeren op maximaal 480, 000 gammastraalinteracties per seconde die worden gedetecteerd in de GRETA-bol.

FRIB zal worden uitgerust met een krachtige versneller die bundels deeltjes kan produceren uit elementen zo zwaar als uranium, en zal de mogelijkheid hebben om meer dan 1 te creëren en te bestuderen. 000 nieuwe isotopen door doelen te beschieten met hoogenergetische stralen.

GRETA is ontworpen om flexibel te zijn, zodat het geschikt is voor een breed scala aan instrumenten voor experimenten, en ook verplaatsbaar zodat het kan worden gebruikt op verschillende experimentele locaties bij FRIB en andere faciliteiten. "GRETA is geoptimaliseerd voor het brede scala aan wetenschap bij FRIB, "Fallon zei, en zal ook worden gebruikt bij het Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) in het Argonne National Laboratory.

GRETA zal de sleutel zijn tot veel experimenten bij FRIB - ongeveer tweederde van de onderzoeksdoelen die bij FRIB zijn gepland, zal de GRETA-detector gebruiken, zei Fallon.

Experimenten zullen kernen aan de extremen bestuderen, en met grotere gevoeligheid

Het zal onder meer worden gebruikt om de meest neutronenrijke vormen van isotopen te bestuderen voordat ze onstabiel worden. Dit uiterste wordt de neutronen "infuuslijn" genoemd, " omdat het de laatste stabiele vorm van een isotoop vertegenwoordigt voordat het geen neutronen meer kan dragen, en zijn kern begint te "druppelen" of neutronen uit te zenden.

GRETA zal ook worden gebruikt om kernen te identificeren die peerachtige vormen vertonen. Dergelijke experimenten zullen wetenschappers helpen de grenzen te leren kennen voor de meest extreme eigenschappen van atoomkernen, belangrijke gegevens verstrekken over hun creatie, en nieuwe kernen te identificeren die ons begrip van de fundamentele interacties en krachten van de natuur testen die de structuur van materie beheersen.

Samen, FRIB en GRETA zullen 10 tot 100 keer grotere gevoeligheid hebben in nucleaire wetenschappelijke experimenten dan mogelijk is met bestaande versnellers en detectoren, merkte Fallon op.

GRETA zal worden gebouwd, geassembleerd, en getest in Berkeley Lab voordat het naar FRIB werd verzonden. Berkeley Lab leidde de ontwikkeling van de detectoren voor het project en is verantwoordelijk voor het toezicht op de levering, en leidt ook het ontwerp en de fabricage van GRETA's signaalverwerkingselektronica, computergebruik, en mechanische systemen; Argonne Lab ontwikkelt de elektronica met betrekking tot zijn trigger- en timingsystemen; Michigan State University is verantwoordelijk voor het karakteriseren van de prestaties van zijn detectoren; en Oak Ridge Lab is verantwoordelijk voor de real-time signaalverwerking om de gammastraalinteracties binnen de GRETA-kristallen te lokaliseren.

Nadat GRETA is voltooid, Berkeley Lab zal een rol blijven spelen in zijn elektronica, computergebruik, en upgrades, en bij het opnieuw configureren van het instrument voor experimenten. Ongeveer 25 Berkeley Lab-wetenschappers en ingenieurs zijn betrokken bij het GRETA-project, zei Fallon.