In fracties van een seconde enorme hoeveelheden protonen op snelheid brengen op de kortste afstand - dat is de laserversnellingstechnologie, de laatste jaren sterk verbeterd, kan doen. Een internationaal onderzoeksteam van het GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung en het Helmholtz Institute Jena, een filiaal van GSI, in samenwerking met het Lawrence Livermore National Laboratory, ONS., is erin geslaagd protonen te gebruiken die zijn versneld met de GSI high-power laser PHELIX om andere kernen te splitsen en te analyseren. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurwetenschappelijke rapporten en zou nieuwe inzichten kunnen opleveren in astrofysische processen.

Gedurende minder dan één picoseconde (een biljoenste van een seconde), de PHELIX laser schijnt zijn extreem intense lichtpuls op een zeer dunne goudfolie. Dit is genoeg om ongeveer een biljoen waterstofkernen (protonen) uit te werpen, die slechts licht aan het goud zijn gehecht, van de achterkant van de folie, en versnellen ze naar hoge energieën. "Zo'n groot aantal protonen in zo'n korte tijd kan niet worden bereikt met standaard versnellingstechnieken, " legt Pascal Boller uit, die als onderdeel van zijn afstudeeronderzoek onderzoek doet naar laserversnelling in de GSI-onderzoeksafdeling Plasmafysica/PHELIX. "Met deze technologie volledig nieuwe onderzoeksgebieden kunnen worden geopend die voorheen ontoegankelijk waren."

Deze omvatten het genereren van kernsplijtingsreacties. Voor dit doeleinde, de onderzoekers lieten de vers gegenereerde snelle protonen invallen op uraniummateriaalmonsters. Uranium werd gekozen als case study-materiaal vanwege de grote dwarsdoorsnede van de reactie en de beschikbaarheid van gepubliceerde gegevens voor benchmarking-doeleinden. De monsters moeten dicht bij de protonproductie zijn om een ​​maximale opbrengst aan reacties te garanderen. De protonen die door de PHELIX-laser worden gegenereerd, zijn snel genoeg om de splijting van uraniumkernen in kleinere splijtingsproducten te induceren. die dan nog moeten worden geïdentificeerd en gemeten. Echter, de laserinslag heeft ongewenste neveneffecten:het genereert een sterke elektromagnetische puls en een gammy-ray-flits die interfereren met de gevoelige meetinstrumenten die voor deze detectie worden gebruikt.

In dit stadium, de onderzoekers worden bijgestaan ​​door de expertise van een andere GSI-onderzoeksgroep. Voor het chemisch onderzoek van superzware elementen, er is al geruime tijd een transportsysteem in gebruik dat de gewenste deeltjes over lange afstanden van het reactiegebied naar de detector kan transporteren. De reactiekamer wordt doorgespoeld door een gas dat - in het geval van splijtingsexperimenten - de splijtingsproducten meeneemt en, binnen enkele seconden, transporteert ze via kleine plastic buisjes naar de meetapparatuur, die nu enkele meters verwijderd is. Op deze manier, opwekking en meting kunnen ruimtelijk van elkaar worden gescheiden en interferentie kan worden voorkomen.

Voor de eerste keer, het was in de experimenten mogelijk om de twee technieken te combineren en zo een verscheidenheid aan cesium, xenon- en jodiumisotopen via de splijting van uranium, om ze betrouwbaar te identificeren via hun uitgezonden gammastraling en om hun korte levensduur te observeren. Dit biedt een methodologie voor het bestuderen van splijtingsreacties in plasma-state materie met hoge dichtheid. Vergelijkbare voorwaarden zijn te vinden, bijvoorbeeld, in de ruimte in sterren, stellaire explosies of fusies van neutronensterren. "Het begrijpen van de reactieprocessen van kernen die in plasma met elkaar interageren, kan ons inzicht geven in de oorsprong van atoomkernen, de zogenaamde nucleosynthese, in ons universum. Nucleosyntheseprocessen zoals s-process of r-process vinden plaats in precies dergelijke media, " legt Boller uit. "De rol die splijtingsreacties spelen in deze processen is nog niet in detail onderzocht. Hier, de laser-versnelde protonen kunnen nieuwe informatie opleveren."

Verdere metingen met de methoden zijn gepland voor toekomstige experimenten met de PHELIX-laser bij GSI en bij andere onderzoekscentra over de hele wereld. Het onderzoek van zeer dichte materie met ionen- en laserstralen zal ook een van de onderwerpen zijn van de toekomstige onderzoeksfaciliteit FAIR. FAIR wordt momenteel gebouwd bij GSI in internationale samenwerking. Onder het motto "Het heelal in het laboratorium, " het is bedoeld om omstandigheden te reproduceren zoals ze zich voordoen in astrofysische omgevingen op aarde, waardoor de kennis over onze kosmos wordt uitgebreid.