Hoe werken de chemische elementen, de bouwstenen van ons universum, gebouwd worden? Deze vraag vormt al bijna een eeuw de kern van de kernfysica.

Aan het begin van de 20e eeuw, wetenschappers ontdekten dat elementen een centrale kern of kern hebben. Deze kernen bestaan ​​uit verschillende aantallen protonen en neutronen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) van de Michigan State University hebben een apparaat gebouwd en getest dat cruciale inzichten in zware elementen mogelijk maakt, of elementen met zeer grote aantallen protonen en neutronen. Ben Kay, natuurkundige bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), leidde deze poging. FRIB is een DOE Office of Science User Facility.

Kay en zijn team hebben hun eerste experiment met het apparaat voltooid, genaamd SOLARIS, wat staat voor Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Geplande experimenten zullen informatie onthullen over kernreacties die enkele van de zwaarste elementen in onze wereld creëren, variërend van ijzer tot uranium.

Er zijn ook experimenten gepland met exotische isotopen. Isotopen zijn elementen die hetzelfde aantal protonen delen, maar een verschillend aantal neutronen hebben. Wetenschappers noemen bepaalde isotopen exotisch omdat hun verhouding van protonen tot neutronen verschilt van die van typisch stabiele of langlevende isotopen die van nature op aarde voorkomen. Sommige van deze onstabiele isotopen spelen een essentiële rol bij astronomische gebeurtenissen.

"Exploderende sterren, de fusie van reusachtige ingestorte sterren, we leren nu details over de kernreacties die de kern vormen van deze gebeurtenissen, "zei Kay. "Met SOLARIS, we kunnen die reacties hier recreëren, op aarde, om ze zelf te zien."

Het nieuwe apparaat treedt in de voetsporen van HELIOS, de spiraalvormige baanspectrometer, te Argonne. Beide gebruiken op dezelfde manier hergebruikte supergeleidende magneten van een magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -machine zoals die in ziekenhuizen wordt gevonden. In beide, een bundel deeltjes wordt op een doelmateriaal in een vacuümkamer geschoten. Wanneer de deeltjes botsen met het doel, overdrachtsreacties optreden. Bij zulke reacties neutronen of protonen worden verwijderd of toegevoegd uit kernen, afhankelijk van de deeltjes, en hun energie, gebruikt bij de aanrijding.

"Door de energie en de hoek vast te leggen van de verschillende deeltjes die vrijkomen of worden afgebogen bij de botsingen, we kunnen informatie verzamelen over de structuur van de kernen in deze isotopen, " zei Kay. "Het innovatieve SOLARIS-ontwerp biedt de nodige resolutie om ons begrip van deze exotische kernen te vergroten."

Wat SOLARIS echt uniek maakt, is dat het kan functioneren als een dual-mode spectrometer, wat betekent dat het metingen kan doen met stralen met een hoge of zeer lage intensiteit. "SOLARIS kan in deze twee modi werken, " legde Kay uit. "Men gebruikt een traditionele siliciumdetectorarray in een vacuüm. De andere gebruikt het nieuwe met gas gevulde doel van de Active-Target Time-Projection Chamber in de staat Michigan, geleid door SOLARIS-teamlid en FRIB senior natuurkundige Daniel Bazin. Dit eerste experiment testte de AT-TPC." De AT-TPC stelt wetenschappers in staat om zwakkere stralen te gebruiken en toch resultaten te verzamelen met de vereiste hoge nauwkeurigheid.

De AT-TPC is in wezen een grote kamer gevuld met een gas dat zowel als doelwit voor de straal als het detectormedium dient. Dit verschilt van de traditionele vacuümkamer die een siliciumdetectorarray en een afzonderlijke, dun, solide doel.

"Door de kamer met gas te vullen, u zorgt ervoor dat hoe minder, grotere deeltjes van de straal met lage intensiteit zullen contact maken met het doelmateriaal, "zei Kay. Op die manier, de wetenschappers kunnen dan de producten van die botsingen bestuderen.

Het eerste experiment van het team, onder leiding van onderzoeksmedewerker Clementine Santamaria van FRIB, onderzocht het verval van zuurstof-16 (de meest voorkomende isotoop van zuurstof op onze planeet) in veel kleinere alfadeeltjes. Vooral, de acht protonen en acht neutronen in zuurstof-16-kernen vallen uiteen in in totaal vier alfadeeltjes, elk bestaande uit twee protonen en twee neutronen.

"Door te bepalen hoe zuurstof-16 op deze manier vervalt, vergelijkingen kunnen worden gemaakt met die van de 'Hoyle-staat, ' een aangeslagen toestand van een koolstofisotoop die volgens ons een sleutelrol speelt bij de productie van koolstof in sterren, " legde Kaj uit.

Kay en zijn team registreerden meer dan twee miljoen reactiegebeurtenissen tijdens dit experiment en observeerden verschillende gevallen van het verval van zuurstof-16 in alfadeeltjes.

De dubbele functionaliteit van SOLARIS zal een nog breder scala aan nucleaire reactie-experimenten mogelijk maken dan voorheen, en wetenschappers nieuwe inzichten te geven in enkele van de grootste mysteries van de kosmos.