Per la prima volta, fisici dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e i loro collaboratori, guidato da un team del Laboratorio di ricerca dell'esercito americano, dimostrato un effetto nucleare a lungo teorizzato. Questo anticipo mette alla prova modelli teorici che descrivono come interagiscono i regni nucleare e atomico e può anche fornire nuove intuizioni su come vengono creati gli elementi stellari.

I fisici per primi hanno predetto l'effetto, chiamata eccitazione nucleare per cattura di elettroni (NEEC), oltre 40 anni fa. Ma gli scienziati non l'avevano visto fino ad ora. Utilizzando il sistema di accelerazione Argonne Tandem Linac (ATLAS), e Gammasfera, un potente spettrometro a raggi gamma, i ricercatori hanno creato le condizioni giuste per causare e individuare il comportamento.

L'effetto NEEC si verifica quando un atomo carico cattura un elettrone, dando al nucleo dell'atomo energia sufficiente per passare a uno stato eccitato superiore.

Un nucleo eccitato rimane in ogni stato energetico per un po' prima di decadere nello stato sottostante, disperdendo energia sotto forma di raggi gamma. Questi stati eccitati in genere durano molto meno di un miliardesimo di secondo, ma in alcuni rari casi, possono vivere molto più a lungo, anche per milioni di volte l'età dell'universo.

Gli stati energetici più longevi sono chiamati isomeri, e per osservare l'effetto NEEC, i ricercatori hanno prodotto un isomero con un'emivita di circa sette ore. In altre parole, dopo sette ore di esistenza nel livello di energia isomerica, circa la metà dei nuclei di questo tipo decadrà.

Gli scienziati hanno scelto di produrre questo nucleo, chiamato ⁹³ Mo, un isotopo del molibdeno, a causa della sua disposizione unica dei livelli di energia. "C'è un livello di energia consentito non molto al di sopra dello stato dell'isomero, ", ha affermato Chris Chiara dell'Army Research Laboratory, scienziato capo dello studio. "In circostanze normali, l'isomero decadrà naturalmente dopo circa sette ore, ma se si verifica NEEC, il nucleo viene eccitato dall'isomero allo stato leggermente superiore. Quello stato poi decade rapidamente in uno stato al di sotto dell'isomero, emettendo raggi gamma che hanno energie distinte che possiamo cercare."

Produrre ⁹³ Mo, i ricercatori hanno utilizzato ATLAS, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per accelerare un fascio di ioni verso gli atomi in una lamina bersaglio in cui i nuclei dei due si sono fusi insieme. Queste reazioni si sono formate ⁹³ Mo in uno stato altamente eccitato al centro della Gammasfera, che attendeva di rilevare prove dell'effetto sotto forma di raggi gamma.

Come la ⁹³ Gli atomi di Mo si muovono attraverso il materiale bersaglio, si imbattono in atomi che li rallentano e li privano degli elettroni, mettendoli in uno stato di alta carica. Gli elettroni degli atomi bersaglio poi riempiono quei posti vacanti nel ⁹³ Mo, e se gli elettroni hanno la giusta energia prima della cattura, possono eccitare il nucleo nel successivo stato più elevato. Quando questo stato decade, il nucleo rilascia un raggio gamma riconducibile alla reazione NEEC.

Il bersaglio, realizzato dal target maker interno di ATLAS, John Greene, svolto un ruolo cruciale nella rilevazione di NEEC. Greene è stato in grado di lavorare al volo, modificando l'obiettivo man mano che gli scienziati imparavano di più sul ⁹³ Mo nucleo. Con tutto a posto, il team ha iniziato a raccogliere dati.

"Abbiamo rilevato raggi gamma da queste reazioni nel corso dell'esperimento di tre giorni, e abbiamo accumulato circa otto miliardi di eventi in totale, " ha detto Mike Carpenter, un capogruppo ad Argonne responsabile di Gammasphere. "Da questi eventi, siamo stati in grado di identificare circa 500 raggi gamma che sono stati emessi durante il decadimento di ⁹³ Mo che non sarebbe stato rilasciato se non fosse stato per NEEC."

La potenza e la sensibilità di Gammasphere sono state vitali per il successo dell'esperimento. "Abbiamo utilizzato una nuova modalità Gammasphere digitale, che ci ha permesso di funzionare a una velocità circa cinque volte superiore a quella che sarebbe stata possibile con il vecchio sistema analogico, " ha detto Chiara. Ma non era solo l'hardware di ATLAS ad essere importante. "Come esperti nel campo della spettroscopia a raggi gamma, lo staff di Argonne ha fornito un prezioso supporto scientifico e tecnico, " Ha aggiunto.

Il successo del team potrebbe portare a progressi in astronomia e cosmologia in quanto potrebbe migliorare l'accuratezza dei modelli utilizzati dagli scienziati per valutare come si formano le stelle. Le quantità di elementi in una stella dipendono in gran parte dalla struttura e dal comportamento dei nuclei. Per lunghi periodi, e con un vasto numero di atomi che interagiscono, la sopravvivenza, o la distruzione, di isomeri specifici può avere un'influenza cumulativa. Prendere in considerazione l'effetto NEEC potrebbe migliorare la nostra comprensione di cosa sono fatte le stelle e come si evolvono.

Gli scienziati dell'Army Research Laboratory sono anche interessati a possibili applicazioni future per il rilascio controllato di energia nucleare dagli isomeri tramite l'effetto NEEC. Se scienziati e ingegneri potessero sfruttare questa energia, potrebbe aiutare a sviluppare fonti di energia con 100, Energia 000 volte maggiore per unità di massa rispetto alle batterie chimiche.

I risultati dell'esperimento sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Deplezione di isomeri come evidenza sperimentale di eccitazione nucleare mediante cattura di elettroni, " l'8 febbraio in Natura .