Gli antichi greci immaginavano che tutto nel mondo naturale provenisse dalla loro dea Physis; il suo nome è la fonte della parola fisica. I fisici nucleari odierni dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno creato una loro DEA, un rivelatore che fornisce informazioni sulle reazioni nucleari astrofisiche che producono gli elementi più pesanti dell'idrogeno (questo elemento più leggero è stato creato subito dopo il Big Bang) .

I ricercatori hanno sviluppato un rivelatore di particelle cariche all'avanguardia presso l'ORNL chiamato Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, o ORRUBA, studiare le reazioni con fasci di nuclei radioattivi di importanza astrofisica. Recentemente, i suoi rivelatori di silicio sono stati aggiornati e imballati per prepararlo a lavorare di concerto con grandi rivelatori di raggi gamma a base di germanio, come Gammasfera, e il sistema di rilevamento dei raggi gamma di nuova generazione, GRETINA. Il risultato è GODDESS—Gammasphere/GRETINA ORRUBA:Dual Detectors for Experimental Structure Studies.

Con risoluzione di posizione millimetrica, DEA registra le emissioni da reazioni che si verificano quando i fasci energetici dei nuclei radioattivi guadagnano o perdono protoni e neutroni ed emettono raggi gamma o particelle cariche, come i protoni, deuteroni, tritoni, particelle di elio-3 o alfa.

"Le particelle cariche nei rivelatori di silicio ci dicono come si è formato il nucleo, e i raggi gamma ci dicono come è decaduto, " ha spiegato Steven Pain della Divisione di Fisica dell'ORNL. "Uniamo i due set di dati e li usiamo come se fossero un rivelatore per un quadro completo della reazione".

All'inizio di quest'anno, Il dolore ha portato più di 50 scienziati di 12 istituzioni negli esperimenti GODDESS a comprendere le origini cosmiche degli elementi. È investigatore principale di due esperimenti e investigatore co-principale di un terzo. L'analisi dei dati degli esperimenti complessi dovrebbe richiedere due anni.

"Quasi tutti i nuclei stabili pesanti nell'universo sono creati attraverso nuclei instabili che reagiscono e poi ritornano alla stabilità, " ha detto il dolore.

Un secolo di trasmutazione nucleare

Nel 1911 Ernest Rutherford fu sbalordito nell'osservare che le particelle alfa, pesanti e cariche positivamente, a volte rimbalzavano all'indietro. Concluse che dovevano aver colpito qualcosa di estremamente denso e carico positivamente, possibile solo se quasi tutta la massa di un atomo fosse concentrata nel suo centro. Aveva scoperto il nucleo atomico. Ha continuato a studiare i nucleoni - protoni e neutroni - che compongono il nucleo e che sono circondati da gusci di elettroni orbitanti.

Un elemento può trasformarsi in un altro quando vengono catturati i nucleoni, scambiato o espulso. Quando questo accade nelle stelle, si chiama nucleosintesi. Rutherford si è imbattuto in questo processo in laboratorio attraverso un risultato anomalo in una serie di esperimenti di dispersione delle particelle. La prima trasmutazione nucleare artificiale ha fatto reagire l'azoto-14 con una particella alfa per creare ossigeno-17 e un protone. L'impresa è stata pubblicata nel 1919, seminando progressi nella camera a nebbia di nuova invenzione, scoperte su nuclei di breve durata (che costituiscono il 90% dei nuclei), ed esperimenti che continuano fino ad oggi come una priorità assoluta per la fisica.

"Un secolo fa, la prima reazione nucleare di isotopi stabili fu dedotta da osservatori umani contando lampi di luce con un microscopio, " ha notato Dolore, che è il "bis-bis-nipote" di Rutherford in senso accademico:il suo dottorato di ricerca. relatore di tesi era Wilton Catford, il cui consigliere era Kenneth Allen, il cui consigliere era William Burcham, il cui consigliere era Rutherford. "Oggi, rivelatori avanzati come GODDESS ci permettono di esplorare, con grande sensibilità, reazioni dei nuclei radioattivi instabili di difficile accesso che guidano le esplosioni astrofisiche generando molti degli elementi stabili intorno a noi".

Capire la fuga termonucleare

Un esperimento condotto da Pain si è concentrato sul fosforo-30, che è importante per comprendere certe fughe termonucleari. "Stiamo cercando di capire la nucleosintesi nelle esplosioni di nova, le esplosioni stellari più comuni, " ha detto. Una nova si verifica in un sistema binario in cui una nana bianca attira gravitazionalmente materiale ricco di idrogeno da una vicina stella "compagna" fino a quando non si verifica una fuga termonucleare e lo strato superficiale della nana bianca esplode. Le ceneri di queste esplosioni cambiano la composizione chimica della galassia.

Lo studente laureato dell'Università del Tennessee Rajesh Ghimire sta analizzando i dati dell'esperimento sul fosforo, che ha trasferito un neutrone dal deuterio in un bersaglio su un intenso raggio dell'isotopo radioattivo di breve durata fosforo-30. I rilevatori di particelle e raggi gamma hanno individuato ciò che è emerso, correlando i tempi, luoghi ed energie di produzione di protoni e raggi gamma.

Il nucleo di fosforo-30 influenza fortemente i rapporti della maggior parte degli elementi più pesanti prodotti durante l'esplosione di una nova. Se si comprendono le reazioni del fosforo-30, i rapporti elementari possono essere utilizzati per misurare la temperatura di picco raggiunta dalla nova. "Questo è un osservabile che qualcuno con un telescopio potrebbe vedere, " ha detto il dolore.

Creazione illuminante di elementi pesanti

Il secondo esperimento condotto dal dolore ha trasmutato un isotopo molto più pesante, tellurio-134. "Questo nucleo è coinvolto nel processo di cattura rapida dei neutroni, o processo r, che è il modo in cui si formano metà degli elementi più pesanti del ferro nell'universo, " Relativo al dolore. Si verifica in un ambiente con molti neutroni liberi, forse supernovae o fusioni di stelle di neutroni. "Sappiamo che succede, perché vediamo gli elementi intorno a noi, ma non sappiamo ancora esattamente dove e come si verifica".

Comprendere la nucleosintesi del processo r sarà un'attività importante presso la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), una struttura per gli utenti del DOE Office of Science prevista per l'apertura presso la Michigan State University (MSU) nel 2022. FRIB consentirà scoperte su isotopi rari, astrofisica nucleare e interazioni fondamentali, e applicazioni in medicina, sicurezza interna e industria.

"Il processo r è molto, rete di reazioni molto complicata; molti, molti pezzi entrano in esso, " Ha sottolineato Pain. "Non puoi fare un esperimento e avere la risposta".

L'esperimento tellurio-134 inizia con il californio radioattivo realizzato all'ORNL e installato presso l'Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE presso l'Argonne National Laboratory. Le fissioni del californio spontaneamente, con tellurio-134 tra i prodotti. Un raggio di tellurio-134 viene accelerato in un bersaglio di deuterio e assorbe un neutrone, sputare un protone nel processo. "Il tellurio-134 entra, ma il tellurio-135 si spegne, "Il dolore riassume.

"Rileviamo quel protone nei rivelatori al silicio di GODDESS. Il tellurio-135 continua lungo la linea del raggio. L'energia e l'angolo del protone ci parlano del tellurio-135 che abbiamo creato:potrebbe essere nel suo stato fondamentale o in uno qualsiasi di un numero di stati eccitati. Gli stati eccitati decadono emettendo un raggio gamma." I rivelatori al germanio rivelano l'energia dei raggi gamma con una risoluzione senza precedenti per mostrare come il nucleo è decaduto. Quindi il nucleo entra in un rilevatore di gas, creando una traccia di gas ionizzato da cui vengono raccolti gli elettroni rimossi. La misurazione dell'energia depositata in diverse regioni del rivelatore consente ai ricercatori di identificare in modo definitivo il nucleo.

Lo studente laureato della Rutgers Chad Ummel si sta concentrando sull'analisi dell'esperimento. ha detto dolore, "Stiamo cercando di capire il ruolo di questo nucleo di tellurio-134 nel processo r in diversi potenziali siti astrofisici. Il flusso di reazione in questa rete di reazioni di cattura dei neutroni influenza l'abbondanza degli elementi creati. Dobbiamo capire questa rete per capire l'origine degli elementi pesanti."

Il futuro della DEA

I ricercatori continueranno a sviluppare attrezzature e tecniche per l'uso attuale di GODDESS ad Argonne e MSU e per l'uso futuro a FRIB, che darà accesso senza precedenti a molti nuclei instabili attualmente fuori portata. Gli esperimenti futuri impiegheranno due strategie.

Uno usa fasci veloci di nuclei che sono stati frammentati in altri nuclei. Pain paragona i diversi prodotti nucleari a un intero zoo che precipita lungo la linea del raggio nel caos. I nuclei in rapido movimento passano attraverso una serie di magneti che selezionano le "zebre" desiderate e scartano le "giraffe" indesiderate, " "gnu" e "ippopotami".

L'altro approccio ferma gli ioni con un materiale, li riionizza, poi li riaccelera prima che possano decadere radioattivamente. Dolore spiegato, "Ti permette di radunare tutte le zebre, calmali, poi ordinatamente portali fuori nella direzione, velocità e velocità che desideri."

Domare gli elementi che rendono possibili i pianeti e le persone:questo è davvero il dominio di una DEA della fisica.