Naukowcy używają akceleratora Argonne do badania środowiska kwazara
Eksperymenty te mogą poprawić naszą wiedzę na temat formowania się pierwiastków we wszechświecie.
W grudniu National Ignition Facility (NIF) amerykańskiego Departamentu Energii Lawrence Livermore National Laboratory trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Naukowcy z NIF przeprowadzili pierwszy eksperyment syntezy jądrowej, w którym synteza jądrowa wytworzyła więcej energii, niż można by użyć bezpośrednio w paliwie do jego zapalenia. Ten wyjątkowy wynik zapewnia cenny wgląd w potencjał syntezy jądrowej do generowania czystej energii.
Ale naukowy wpływ NIF na tym się nie kończy. Korzystając z Argonne Parallel Linear Accelerator System (ATLAS) w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, zespół naukowców zbadał środowisko niezwykle potężnych kwazarów powstałych w wyniku wystrzeliwania lasera NIF, aby lepiej zrozumieć potencjał astrofizyki jądrowej. . pole testowe. Ta praca może również ujawnić właściwości gwiazd i pochodzenie pierwiastków.
„Jeśli uda nam się odtworzyć warunki astrofizyczne na Ziemi w laboratorium, możemy szczegółowo badać procesy gwiezdne w środowisku o charakterze zbliżonym do domowego”. – Użytkownik ATLAS Michael Paul, Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie
simowy raj
Ciężkie pierwiastki, w tym złoto, platyna i uran, powstają w gwiezdnych eksplozjach, takich jak supernowe i łączenie się gwiazd neutronowych. NIF Laser Burst skupia 192 wiązki laserowe i zapala małą kapsułę paliwa fuzyjnego, tworząc ciśnienie i temperaturę typową dla ekstremalnych zdarzeń gwiezdnych. To sprawia, że przestrzeń kosmiczna jest potężnym narzędziem do badania fizyki jądrowej związanej z powstawaniem ciężkich pierwiastków oraz do ulepszania modeli gwiazd i wczesnego Wszechświata.
„Środowisko utworzone w eksperymencie NIF jest małe i słabe, więc nie jest to gwiazda” – powiedział użytkownik ATLAS Michael Paul, naukowiec i główny naukowiec na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie, Fleer. „Ale termodynamika zachodzi w środowiskach bardzo podobnych do gwiazd – zwłaszcza gwiazd eksplodujących. Gdybyśmy mogli odtworzyć warunki astrofizyczne na Ziemi w laboratorium, bylibyśmy w stanie dokładnie określić otaczające nas środowisko. Badając procesy zachodzące w gwiazdach w środowisku” ” Naukowiec z ojczyzny.
W szczególności zespół poszukiwał dowodów na proces wychwytywania neutronów szybkich, czyli proces r, odpowiedzialny za wytworzenie połowy ciężkich pierwiastków występujących w przyrodzie.
Neutrony wraz z protonami są cząstkami tworzącymi jądro w centrum atomu. Wychwyt neutronów to pochłanianie neutronów przez jądro atomu. Produkty jądrowe i jądrowe to izotopy lub formy tego samego pierwiastka. Niektóre izotopy są bardziej stabilne, podczas gdy inne są bardziej radioaktywne, co oznacza, że inne rozpadają się szybciej.
W ekstremalnych warunkach gwiazdowych gęstość neutronów jest bardzo wysoka. To bogate w neutrony środowisko pozwala jądru na szybki wzrost poprzez pochłanianie dużych ilości neutronów, zanim rozpadnie się i wytworzy nowe, cięższe atomy pierwiastka.
Analiza Argonne w Argonne
W eksperymencie NIF-ATLAS naukowcy wstrzykują niewielką ilość argonu do kapsuły paliwowej, zanim paliwo zostanie zapalone za pomocą lasera NIF. Podobnie jak zwiadowcy nuklearni na misji dla naukowców, atomy argonu są wysyłane do wnętrza kapsuły podczas startu w celu zebrania i przechowywania informacji o wnętrzu.
Po uruchomieniu lasera argon jest transportowany do ATLAS w Argonne, gdzie naukowcy szukają dowodów na istnienie jądra argonu-40 (izotopu argonu z 40 cząstkami subatomowymi w jądrze – 18). protonów i 22 neutronów). laser neutronowy wystrzelony w Argon-42. „Uważamy to za pierwsze zdarzenie przypominające proces r w powtarzalnych warunkach laboratoryjnych” — mówi Paul.
Argon-42 jest radioaktywny, ale rozpada się na tyle wolno, że ATLAS jest wystarczająco długi do analizy przed rozpadem. Gaz jest analizowany przy użyciu unikalnej techniki zwanej Noble Gas Accelerator Mass Spectrometry (NOGAMS), opracowanej w Argonne. NOGAMS to wysoce czuła metoda zliczania liczby pojedynczych atomów danego izotopu w próbce.
Naukowcy wybrali argon, ponieważ jest to gaz obojętny, co oznacza, że nie reaguje chemicznie z innymi substancjami ani nie zakłóca działania paliwa w kapsule. Ta bezwładność utrudnia również przyspieszanie i wykrywanie przy użyciu tradycyjnych technik spektrometrii mas z akceleratorem. Unikalne podejście technologii NOGAMS sprawia, że ATLAS jest jedynym instrumentem zdolnym do liczenia atomów gazu szlachetnego.
Melina Avila Coronado, fizyk z Argonne, powiedziała: „Możliwości ATLAS umożliwiają te badania. „Myślenie o zrozumieniu doskonałych procesów, które mogą z tego wynikać, jest ekscytujące”.
Ávila Coronado pomaga użytkownikom takim jak Paul i jego zespół obsługiwać i mierzyć spektrometry magnetyczne w systemie ATLAS. Pierwsze eksperymenty przeprowadzone w 2022 roku wykazały reakcję jądrową argonu-40 w środowisku syntezy jądrowej. Zespół będzie nadal szukał dowodów na procesy r i inne interesujące procesy astrofizyczne w 2023 roku.