Lo sforzo di costruire GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array), una serie sferica all'avanguardia di cristalli di germanio di elevata purezza che misureranno i segnali dei raggi gamma per rivelare nuovi dettagli sulla struttura e sul funzionamento interno dei nuclei atomici, ha ricevuto le approvazioni chiave necessarie per procedere verso la costruzione completa.

GRETA, che fornirà anche nuove informazioni sulla natura della materia e su come le stelle creano elementi, dovrebbe raggiungere la prima fase di completamento nel 2023, e per raggiungere il completamento finale nel 2025. Si basa sull'attuale strumento GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), completato nel 2011, che presenta un minor numero di cristalli di rilevamento dei raggi gamma. I raggi gamma sono molto energetici, forme penetranti di luce emesse come nuclei atomici instabili decadono in nuclei più stabili.

Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha avuto un ruolo di leadership sia in GRETINA che in GRETA, e i fisici e gli ingegneri nucleari del Berkeley Lab stanno lavorando con i team dei laboratori nazionali Argonne e Oak Ridge, e la Michigan State University, nello sviluppo di GRETA.

Di mercoledì, 7 ottobre 2020, I funzionari del DOE hanno approvato le pietre miliari chiave per il progetto GRETA, compreso lo scopo del lavoro e il suo programma, e i piani finali di ingegneria edile che guideranno il progetto fino al completamento. Le fasi di approvazione formale sono note come Decisione critica 2 e Decisione critica 3 (CD-2 e CD-3).

"Le approvazioni sono state un risultato importante per il progetto e il team. Segna il completamento con successo del progetto finale, e dimostra che siamo pronti per costruire l'array, " ha detto Paul Fallon, Direttore del progetto GRETA e scienziato senior dello staff della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab. Un passaggio chiave successivo è fabbricare il complesso, sfera di alluminio larga un metro che ospiterà i rilevatori.

La nuova struttura per gli utenti metterà al lavoro GRETA

GRETINA, e poi GRETA, sarà installato presso la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University, quando tale struttura entrerà in funzione nel 2022. Il 29 settembre, FRIB è stato ufficialmente designato come il nuovo membro delle strutture per gli utenti del DOE Office of Science. Ora ci sono 28 di queste strutture per gli utenti, accessibili agli scienziati di tutto il paese e del mondo. Già, una stima di 1, 400 utenti scientifici sono in fila per partecipare a esperimenti di fisica nucleare al FRIB una volta che la struttura sarà avviata nel 2022. Ancora in costruzione, FRIB è completo al 94% circa.

GRETINA è dotata di 12 moduli rivelatori e 48 cristalli rivelatori, e GRETA aggiungerà altri 18 moduli rivelatore, per un totale di 30 moduli e 120 cristalli. Si prevede che circa 18-20 moduli rivelatori verranno installati in GRETA entro la fine del 2024, con gli ultimi moduli installati nel 2025.

Quando i fasci di isotopi rari prodotti al FRIB colpiscono un bersaglio fisso, possono subire una varietà di reazioni nucleari. Queste reazioni possono produrre nuclei ancora più esotici che emettono una sequenza di raggi gamma, che forniscono informazioni sulla loro struttura nucleare interna. Gli isotopi sono varietà di elementi che hanno lo stesso numero di protoni carichi positivamente nei loro nuclei ma hanno più o meno particelle non cariche chiamate neutroni rispetto alla forma standard di un elemento.

GRETA circonderà completamente questi obiettivi per fornire dati incredibilmente dettagliati sulla direzione 3-D e sull'energia dei raggi gamma che si propagano attraverso i suoi rivelatori. L'elettronica ultraveloce consentirà ai rilevatori di catturare fino a 50, 000 segnali al secondo in ogni cristallo, e un cluster di elaborazione dedicato eseguirà l'elaborazione del segnale in tempo reale su un massimo di 480, 000 interazioni di raggi gamma al secondo rilevate all'interno della sfera GRETA.

FRIB sarà dotato di un potente acceleratore in grado di produrre fasci di particelle da elementi pesanti come l'uranio, e avrà la capacità di creare e studiare più di 1, 000 nuovi isotopi facendo esplodere bersagli con raggi ad alta energia.

GRETA è progettato per essere flessibile in modo da poter ospitare un'ampia gamma di strumenti per esperimenti, e anche mobile in modo che possa essere utilizzato in diversi siti sperimentali presso FRIB e altre strutture. "GRETA è ottimizzato per l'ampia gamma di scienze del FRIB, " Fallon ha detto, e sarà utilizzato anche presso l'Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) presso l'Argonne National Laboratory.

GRETA sarà la chiave per molti esperimenti al FRIB:circa due terzi degli obiettivi di ricerca pianificati al FRIB utilizzeranno il rilevatore GRETA, disse Fallon.

Gli esperimenti studieranno i nuclei agli estremi, e con maggiore sensibilità

Tra i suoi usi ci sarà lo studio delle forme di isotopi più ricche di neutroni prima che diventino instabili. Questo estremo è indicato come "linea gocciolante" di neutroni, " poiché rappresenta l'ultima forma stabile di un isotopo prima che non possa trasportare più neutroni, e il suo nucleo inizia a "gocciolare" o emettere neutroni.

GRETA sarà utilizzato anche per identificare i nuclei che mostrano forme a pera. Tali esperimenti aiuteranno gli scienziati a conoscere i limiti delle proprietà più estreme dei nuclei atomici, fornire dati chiave sulla loro creazione, e identificare nuovi nuclei che mettono alla prova la nostra comprensione delle interazioni e delle forze fondamentali della natura che governano la struttura della materia.

Insieme, FRIB e GRETA avranno una sensibilità da 10 a 100 volte maggiore negli esperimenti di scienza nucleare di quanto sia possibile utilizzando gli acceleratori e i rivelatori esistenti, Fallon ha notato.

GRETA sarà costruito, assemblato, e testato al Berkeley Lab prima di essere spedito a FRIB. Berkeley Lab ha guidato lo sviluppo dei rilevatori per il progetto ed è responsabile della supervisione della loro consegna, e guida anche la progettazione e la fabbricazione dell'elettronica di elaborazione del segnale di GRETA, informatica, e sistemi meccanici; Argonne Lab sta sviluppando l'elettronica relativa ai suoi sistemi di innesco e temporizzazione; La Michigan State University è responsabile della caratterizzazione delle prestazioni dei suoi rilevatori; e Oak Ridge Lab è responsabile dell'elaborazione del segnale in tempo reale per individuare le interazioni dei raggi gamma all'interno dei cristalli GRETA.

Dopo che GRETA è stato completato, Berkeley Lab continuerà a svolgere un ruolo nella sua elettronica, informatica, e aggiornamenti, e nella riconfigurazione dello strumento per gli esperimenti. Circa 25 scienziati e ingegneri del Berkeley Lab sono coinvolti nel progetto GRETA, disse Fallon.