Los antiguos griegos imaginaban que todo en el mundo natural provenía de su diosa Physis; su nombre es la fuente de la palabra física. Los físicos nucleares actuales del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han creado una DIOSA propia:un detector que proporciona información sobre las reacciones nucleares astrofísicas que producen los elementos más pesados ​​que el hidrógeno (este elemento más ligero se creó justo después del Big Bang) .

Los investigadores desarrollaron un detector de partículas cargadas de última generación en ORNL llamado Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, o ORRUBA, estudiar reacciones con haces de núcleos radiactivos de importancia astrofísica. Recientemente, sus detectores de silicio se actualizaron y empacaron para prepararlo para trabajar en conjunto con grandes detectores de rayos gamma basados ​​en germanio, como Gammasphere, y el sistema detector de seguimiento de rayos gamma de próxima generación, GRETINA. El resultado es DIOSA — Gammasphere / GRETINA ORRUBA:Detectores duales para estudios de estructuras experimentales.

Con resolución de posición milimétrica, GODDESS registra las emisiones de las reacciones que tienen lugar a medida que los haces energéticos de núcleos radiactivos ganan o pierden protones y neutrones y emiten rayos gamma o partículas cargadas. como los protones, deuterones, tritones helio-3 o partículas alfa.

"Las partículas cargadas en los detectores de silicio nos dicen cómo se formó el núcleo, y los rayos gamma nos dicen cómo decayó, ", explicó Steven Pain de la División de Física de ORNL." Combinamos los dos conjuntos de datos y los usamos como si fueran un detector para obtener una imagen completa de la reacción ".

A principios de este año, El dolor llevó a más de 50 científicos de 12 instituciones en experimentos de DIOSA a comprender los orígenes cósmicos de los elementos. Es investigador principal de dos experimentos y co-investigador principal de un tercero. Se espera que el análisis de datos de los experimentos complejos lleve dos años.

"Casi todos los núcleos estables pesados ​​del universo se crean a través de núcleos inestables que reaccionan y luego vuelven a la estabilidad, "Dijo Pain.

Un siglo de transmutación nuclear

En 1911, Ernest Rutherford se asombró al observar que las partículas alfa, pesadas y con carga positiva, a veces rebotaban hacia atrás. Llegó a la conclusión de que debían haber chocado contra algo extremadamente denso y cargado positivamente, solo posible si casi toda la masa de un átomo se concentrara en su centro. Había descubierto el núcleo atómico. Continuó estudiando los nucleones, protones y neutrones, que forman el núcleo y que están rodeados por capas de electrones en órbita.

Un elemento puede convertirse en otro cuando se capturan nucleones, intercambiado o expulsado. Cuando esto sucede en las estrellas, se llama nucleosíntesis. Rutherford se topó con este proceso en el laboratorio a través de un resultado anómalo en una serie de experimentos de dispersión de partículas. La primera transmutación nuclear artificial hizo reaccionar nitrógeno-14 con una partícula alfa para crear oxígeno-17 y un protón. La hazaña se publicó en 1919, sembrar avances en la cámara de niebla recién inventada, descubrimientos sobre núcleos de vida corta (que constituyen el 90% de los núcleos), y experimentos que continúan hasta el día de hoy como una de las principales prioridades de la física.

"Hace un siglo, la primera reacción nuclear de isótopos estables fue inferida por observadores humanos contando destellos de luz con un microscopio, "señaló Dolor, quien es el "tataranieto" de Rutherford en un sentido académico:su Ph.D. el asesor de tesis fue Wilton Catford, cuyo asesor fue Kenneth Allen, cuyo consejero fue William Burcham, cuyo consejero era Rutherford. "Hoy dia, detectores avanzados como GODDESS nos permiten explorar, con mucha sensibilidad, reacciones de los núcleos radiactivos inestables de difícil acceso que impulsan las explosiones astrofísicas que generan muchos de los elementos estables que nos rodean ".

Entendiendo la fuga termonuclear

Un experimento dirigido por Pain se centró en el fósforo-30, lo cual es importante para comprender ciertas fugas termonucleares. "Buscamos comprender la nucleosíntesis en las explosiones de novas, las explosiones estelares más comunes, ", dijo. Una nova se produce en un sistema binario en el que una enana blanca extrae gravitacionalmente material rico en hidrógeno de una estrella" compañera "cercana hasta que se produce una fuga termonuclear y la capa superficial de la enana blanca explota. Las cenizas de estas explosiones cambian la composición química de la galaxia.

El estudiante graduado de la Universidad de Tennessee, Rajesh Ghimire, está analizando los datos del experimento de fósforo, que transfirió un neutrón del deuterio en un objetivo a un haz intenso del isótopo radiactivo de corta duración fósforo-30. Los detectores de partículas y rayos gamma detectaron lo que emergió, tiempos correlativos, lugares y energías de producción de protones y rayos gamma.

El núcleo de fósforo-30 afecta fuertemente las proporciones de la mayoría de los elementos más pesados ​​producidos durante la explosión de una nova. Si se entienden las reacciones del fósforo-30, las proporciones elementales se pueden utilizar para medir la temperatura máxima que alcanzó la nova. "Eso es un observable que alguien con un telescopio podría ver, "Dijo Pain.

Iluminando la creación de elementos pesados

El segundo experimento que llevó a Pain transmutó un isótopo mucho más pesado, telurio-134. "Este núcleo está involucrado en el proceso de captura rápida de neutrones, o proceso r, que es la forma en que la mitad de los elementos más pesados ​​que el hierro se forman en el universo, "Relacionado con el dolor. Ocurre en un entorno con muchos neutrones libres, tal vez supernovas o fusiones de estrellas de neutrones". Sabemos que sucede, porque vemos los elementos que nos rodean, pero todavía no sabemos exactamente dónde y cómo ocurre ".

Comprender la nucleosíntesis del proceso r será una actividad importante en la Instalación para haces de isótopos raros (FRIB), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE programada para abrir en la Universidad Estatal de Michigan (MSU) en 2022. FRIB permitirá descubrimientos sobre isótopos raros, astrofísica nuclear e interacciones fundamentales, y aplicaciones en medicina, seguridad nacional e industria.

"El proceso r es muy red de reacciones muy complicada; muchos, muchas piezas entran en ella, "Pain enfatizó." No se puede hacer un experimento y tener la respuesta ".

El experimento del telurio-134 comienza con californio radiactivo fabricado en ORNL e instalado en el sistema acelerador lineal en tándem Argonne (ATLAS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Argonne. El californio se fisiona espontáneamente, con telurio-134 entre los productos. Un rayo de telurio-134 se acelera hacia un objetivo de deuterio y absorbe un neutrón, escupiendo un protón en el proceso. "Entra telurio-134, pero el telurio-135 se apaga, "El dolor resumió.

"Detectamos ese protón en los detectores de silicio de DIOSA. El telurio-135 continúa por la línea del haz. La energía y el ángulo del protón nos dicen sobre el telurio-135 que hemos creado; podría estar en su estado fundamental o en cualquiera de varios estados excitados. Los estados excitados decaen emitiendo un rayo gamma ". Los detectores de germanio revelan la energía de los rayos gamma con una resolución sin precedentes para mostrar cómo decayó el núcleo. Luego, el núcleo entra en un detector de gas, creando una pista de gas ionizado de la que se recogen los electrones eliminados. La medición de la energía depositada en diferentes regiones del detector permite a los investigadores identificar definitivamente el núcleo.

El estudiante graduado de Rutgers, Chad Ummel, se centra en el análisis del experimento. Dijo dolor "Estamos tratando de comprender el papel de este núcleo de telurio-134 en el proceso r en diferentes sitios astrofísicos potenciales. El flujo de reacción en esta red de reacciones de captura de neutrones afecta la abundancia de los elementos creados. Necesitamos comprender esta red para comprender el origen de los elementos pesados ​​".

Futuro de la DIOSA

Los investigadores continuarán desarrollando equipos y técnicas para el uso actual de GODDESS en Argonne y MSU y el uso futuro en FRIB. lo que brindará un acceso sin precedentes a muchos núcleos inestables que actualmente están fuera de su alcance. Los experimentos futuros emplearán dos estrategias.

Uno usa haces rápidos de núcleos que se han fragmentado en otros núcleos. Pain compara los diversos productos nucleares con todo un zoológico que se precipita por la línea de rayos en el caos. Los núcleos de movimiento rápido pasan a través de una serie de imanes que seleccionan las "cebras" deseadas y descartan las "jirafas" no deseadas, "" ñus "e" hipopótamos ".

El otro enfoque detiene los iones con un material, los re-ioniza, luego los reacelera antes de que puedan desintegrarse radiactivamente. Dolor explicado, "Te permite acorralar a todas las cebras, calmarlos, luego sácalos ordenadamente en la dirección, tasa y velocidad que desee ".

Domar los elementos que hacen posibles los planetas y las personas, ese es de hecho el dominio de una DIOSA de la física.