权衡重元素的起源

核物理学家进行了一项利用新技术研究宇宙中重元素的性质和起源的物理实验。

权衡重元素的起源

核物理学领域一个长期存在的谜团就是为什么宇宙由我们在我们周围看到的特定物质组成的原因。换句话说,为什么它是由“这种”材料而不是其他材料制成的?

特别令人感兴趣的是负责产生重元素(例如金,铂和铀)的物理过程,这些过程被认为是在中子星合并和爆炸性恒星事件中发生的。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家领导了在欧洲核研究组织CERN进行的国际核物理实验,该实验利用了阿贡国家实验室开发的新技术研究宇宙中重元素的性质和来源。这项研究可能提供对共同创造外来核的过程的批判性见解,并将为恒星事件和早期宇宙的模型提供信息。

合作的核物理学家是第一个观察到原子核的中子壳结构的质子比铅少,中子多于126个的中子,这是核物理学领域的“魔术数”。

在8、20、28、50和126为标准值的这些幻数下,原子核具有增强的稳定性,就像稀有气体与封闭的电子壳一样。具有中子的魔术数高于126的核在很大程度上尚未开发,因为它们很难产生。了解它们的行为对于理解快速中子捕获过程或r过程至关重要,该过程会产生宇宙中的许多重元素。

所述ř -Process被认为在极端恒星条件如中子星合并或超新星发生。在这些中子丰富的环境中,原子核可以快速生长,捕获中子以在它们有机会衰变之前产生新的更重的元素。

该实验的重点是汞同位素207 Hg。207 Hg 的研究可以揭示其近邻的性质,原子核直接参与r过程的关键方面

这项研究的首席科学家阿贡大学的物理学家本·凯说:“本世纪最大的问题之一是,这些元素是如何在宇宙初期形成的。” “这很难研究,因为我们不能仅仅从地球上挖出一颗超新星,因此我们必须创造这些极端环境并研究其中发生的反应。”

为了研究207 Hg 的结构,研究人员首先使用了位于瑞士日内瓦CERN的HIE-ISOLDE设备。向熔化的铅靶发射高能质子束,由此产生的碰撞产生了数百种奇特的放射性同位素。

然后,他们从其他碎片中分离出206 Hg原子核,并使用CERN的HIE-ISOLDE加速器创建了该加速器设施所能达到的最高能量的原子核束。然后,他们将光束聚焦在新的ISOLDE电磁光谱仪(ISS)内的氘靶上。

凯说:“没有其他设施可以制造出如此质量的汞束并将其加速为这些能量。” “这再加上国际空间站出色的分辨能力,使我们首次观察到了207 Hg 的激发态光谱。”

ISS是一种新开发的磁谱仪,核物理学家用来检测206 Hg原子核捕获中子并变为207 Hg的实例光谱仪的电磁磁铁是澳大利亚一家医院回收的4-Tesla超导MRI磁铁。由于英国在利物浦大学,曼彻斯特大学,达斯伯里实验室和比利时鲁汶大学的合作者的领导下进行了合作,将其移至CERN并安装在ISOLDE上。

氘是稀有的氢重同位素,由质子和中子组成。206 Hg从氘靶中捕获中子时,质子反冲。在这些反应过程中发出的质子行进到ISS中的检测器,它们的能量和位置产生了有关核结构以及如何将其结合在一起的关键信息。这些性质对r过程产生重大影响,其结果可为核天体物理学模型中的重要计算提供依据。

ISS采用了Argonne杰出研究员John Schiffer提出的先驱概念,该概念最初是作为实验室的螺旋轨道光谱仪HELIOS建造的,该仪器激发了ISS光谱仪的发展。HELIOS允许探索曾经无法研究的核特性,但是由于HELIOS,自2008年以来一直在Argonne进行。CERN的ISOLDE设施可以产生与在Argonne可以制造的核束互补的核束。

在过去的一个世纪中,核物理学家从碰撞研究中收集了有关核的信息,在碰撞中,轻离子束撞击重的目标。但是,当重光束撞击轻目标时,碰撞的物理会变得扭曲,并且更难以解析。Argonne的HELIOS概念是消除这种失真的解决方案。

凯说:“当光束的炮弹击中易碎的目标时,运动学就会发生变化,从而压缩产生的光谱。” “但是约翰·希弗(John Schiffer)意识到,当磁体内部发生碰撞时,所发射的质子以螺旋模式朝着探测器行进,并通过数学上的“技巧”展开了运动学压缩,从而产生了未压缩的光谱,揭示了潜在的核结构体。”

对CERN实验数据的首次分析证实了当前核模型的理论预测,并且该小组计划使用这些新功能研究207 Hg 区域中的其他核,从而对未知的核物理区域和核能提供更深入的见解。r-过程

除了在CERN进行实验外,Argonne科学家还为ISS的设计提供了信息,并为光谱仪配备了HELIOS探测器和数据采集电子设备。

凯还在美国能源部赞助的密歇根州立大学稀有同位素束研究设施(FRIB)中称为SOLARIS,参与了另一台电磁光谱仪的开发,他在核物理领域的专业知识为另一项跨机构合作做出了贡献。

这项研究的结果发表在2月13日的《物理评论快报》上,题为“铅以下和N = 126之后的中子壳结构的首次探索”中这项研究是由美国能源部核物理办公室,英国科学技术设施理事会和欧洲研究理事会赞助的。

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