Un mistero di lunga data nel campo della fisica nucleare è il motivo per cui l'universo è composto dai materiali specifici che vediamo intorno a noi. In altre parole, perché è fatto di "questa" roba e non di altre cose?

Particolarmente interessanti sono i processi fisici responsabili della produzione di elementi pesanti, come l'oro, platino e uranio, che si pensa avvengano durante le fusioni di stelle di neutroni e gli eventi stellari esplosivi.

Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno condotto un esperimento internazionale di fisica nucleare condotto presso il CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, che utilizza nuove tecniche sviluppate ad Argonne per studiare la natura e l'origine degli elementi pesanti nell'universo. Lo studio può fornire approfondimenti critici sui processi che lavorano insieme per creare i nuclei esotici, e informerà i modelli degli eventi stellari e dell'universo primordiale.

I fisici nucleari nella collaborazione sono i primi ad osservare la struttura a guscio di neutroni di un nucleo con meno protoni del piombo e più di 126 neutroni, "numeri magici" nel campo della fisica nucleare.

A questi numeri magici, di cui 8, 20, 28, 50 e 126 sono valori canonici, i nuclei hanno una maggiore stabilità, proprio come fanno i gas nobili con i gusci elettronici chiusi. I nuclei con neutroni al di sopra del numero magico di 126 sono in gran parte inesplorati perché sono difficili da produrre. La conoscenza del loro comportamento è fondamentale per comprendere il processo di cattura rapida dei neutroni, o R -processi, che produce molti degli elementi pesanti nell'universo.

Il R Si pensa che il processo avvenga in condizioni stellari estreme come fusioni di stelle di neutroni o supernove. Questi ambienti ricchi di neutroni sono i luoghi in cui i nuclei possono crescere rapidamente, catturare neutroni per produrre elementi nuovi e più pesanti prima che abbiano la possibilità di decadere.

Questo esperimento si è concentrato sull'isotopo del mercurio ²⁰⁷ Hg. Lo studio di ²⁰⁷ Il mercurio potrebbe far luce sulle proprietà dei suoi vicini più prossimi, nuclei direttamente coinvolti in aspetti chiave della R -processi.

"Una delle domande più grandi di questo secolo è stata come si sono formati gli elementi all'inizio dell'universo, " ha detto il fisico di Argonne Ben Kay, lo scienziato capo dello studio. "È difficile fare ricerche perché non possiamo semplicemente andare a scavare una supernova dalla terra, quindi dobbiamo creare questi ambienti estremi e studiare le reazioni che si verificano in essi".

Per studiare la struttura di ²⁰⁷ mercurio, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta la struttura HIE-ISOLDE al CERN di Ginevra, Svizzera. Un raggio di protoni ad alta energia è stato sparato contro un bersaglio di piombo fuso, con le conseguenti collisioni che producono centinaia di isotopi esotici e radioattivi.

Poi si sono separati ²⁰⁶ nuclei di mercurio dagli altri frammenti e ha utilizzato l'acceleratore HIE-ISOLDE del CERN per creare un raggio dei nuclei con la più alta energia mai raggiunta in quella struttura di accelerazione. Hanno quindi focalizzato il raggio su un bersaglio di deuterio all'interno del nuovo spettrometro a solenoide (ISS) ISOLDE.

"Nessun altro impianto può produrre fasci di mercurio di questa massa e accelerarli a queste energie, " disse Kay. "Questo, insieme all'eccezionale potere risolutivo dell'ISS, ci ha permesso di osservare lo spettro degli stati eccitati in ²⁰⁷ Hg per la prima volta."

L'ISS è uno spettrometro magnetico di nuova concezione che i fisici nucleari usavano per rilevare casi di ²⁰⁶ Nuclei di mercurio che catturano un neutrone e divengono ²⁰⁷ Hg. Il magnete solenoidale dello spettrometro è un magnete MRI superconduttore a 4 Tesla riciclato proveniente da un ospedale in Australia. È stato spostato al CERN e installato presso ISOLDE, grazie a una collaborazione guidata dal Regno Unito tra l'Università di Liverpool, Università di Manchester, Daresbury Laboratory e collaboratori di KU Leuven in Belgio.

Deuterio, un raro isotopo pesante dell'idrogeno, costituito da un protone e un neutrone. quando ²⁰⁶ Il mercurio cattura un neutrone dal bersaglio di deuterio, il protone si ritira. I protoni emessi durante queste reazioni viaggiano verso il rivelatore nell'ISS, e la loro energia e posizione forniscono informazioni chiave sulla struttura del nucleo e su come è legato insieme. Queste proprietà hanno un impatto significativo sulla R -processi, ei risultati possono fornire importanti calcoli nei modelli di astrofisica nucleare.

L'ISS utilizza un concetto pionieristico suggerito dall'illustre collega di Argonne, John Schiffer, che è stato costruito come spettrometro orbitale elicoidale del laboratorio, HELIOS, lo strumento che ha ispirato lo sviluppo dello spettrometro della ISS. HELIOS ha consentito l'esplorazione di proprietà nucleari che un tempo erano impossibili da studiare, ma grazie a HELIOS, sono stati eseguiti ad Argonne dal 2008. La struttura ISOLDE del CERN può produrre fasci di nuclei che completano quelli che possono essere realizzati ad Argonne.

Per il secolo scorso, i fisici nucleari sono stati in grado di raccogliere informazioni sui nuclei dallo studio delle collisioni in cui i fasci di ioni leggeri colpiscono bersagli pesanti. Però, quando raggi pesanti colpiscono bersagli leggeri, la fisica della collisione diventa distorta e più difficile da analizzare. Il concept HELIOS di Argonne era la soluzione per rimuovere questa distorsione.

"Quando hai una palla di cannone di un raggio che colpisce un bersaglio fragile, la cinematica cambia, e gli spettri risultanti sono compressi, " disse Kay. "Ma John Schiffer si rese conto che quando la collisione si verifica all'interno di un magnete, i protoni emessi viaggiano a spirale verso il rivelatore, e con un "trucco" matematico, questo dispiega la compressione cinematica, risultando in uno spettro non compresso che rivela la struttura nucleare sottostante".

Le prime analisi dei dati dell'esperimento del CERN confermano le previsioni teoriche degli attuali modelli nucleari, e il team prevede di studiare altri nuclei nella regione di ²⁰⁷ Hg utilizzando queste nuove capacità, fornendo approfondimenti sulle regioni sconosciute della fisica nucleare e sul R -processi.

I risultati di questo studio sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Prima esplorazione della struttura del guscio di neutroni sotto il piombo e oltre N =126" il 13 febbraio nel Lettere di revisione fisica .