El esfuerzo para construir GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array), una matriz esférica de vanguardia de cristales de germanio de alta pureza que medirá las señales de rayos gamma para revelar nuevos detalles sobre la estructura y el funcionamiento interno de los núcleos atómicos, ha recibido las aprobaciones clave necesarias para avanzar hacia la construcción completa.

GRETA, que también proporcionará una nueva perspectiva sobre la naturaleza de la materia y cómo las estrellas crean elementos, se espera que alcance la primera fase de finalización en 2023, y para lograr su finalización final en 2025. Se basa en el instrumento existente GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), completado en 2011, que presenta menos cristales de detección de rayos gamma. Los rayos gamma son muy energéticos, las formas penetrantes de luz que se emiten como núcleos atómicos inestables se desintegran en núcleos más estables.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) ha tenido un papel de liderazgo tanto en GRETINA como en GRETA, y los físicos e ingenieros nucleares de Berkeley Lab están trabajando con equipos en los laboratorios nacionales de Argonne y Oak Ridge, y la Universidad Estatal de Michigan, en el desarrollo de GRETA.

El miércoles, 7 de octubre 2020, Los funcionarios del DOE aprobaron hitos clave para el proyecto GRETA, incluyendo el alcance del trabajo y su cronograma, y los planos finales de ingeniería de la construcción que guiarán el proyecto hasta su finalización. Los pasos formales de aprobación se conocen como Decisión crítica 2 y Decisión crítica 3 (CD-2 y CD-3).

"Las aprobaciones fueron un gran logro para el proyecto y el equipo. Marca la finalización exitosa del diseño final, y demuestra que estamos listos para construir la matriz, "dijo Paul Fallon, Director del proyecto GRETA y científico senior de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab. Un siguiente paso clave es fabricar el complejo, Esfera de aluminio de un metro de ancho que albergará los detectores.

La nueva instalación de usuario pondrá a GRETA a trabajar

GRETINA, y luego GRETA, se instalará en las instalaciones de la Universidad Estatal de Michigan para haces de isótopos raros (FRIB), cuando esa instalación comience a operar en 2022. El 29 de septiembre, FRIB fue designado oficialmente como el miembro más nuevo de las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Ahora hay 28 de estas instalaciones de usuario, que son accesibles a científicos de todo el país y del mundo. Ya, un estimado de 1, 400 usuarios científicos están alineados para participar en experimentos de física nuclear en FRIB una vez que la instalación entre en funcionamiento en 2022. Todavía en construcción, FRIB está completo en un 94%.

GRETINA está equipada con 12 módulos detectores y 48 cristales detectores, y GRETA agregará 18 módulos detectores más, para un total de 30 módulos y 120 cristales. Se espera que se instalen alrededor de 18-20 módulos detectores en GRETA antes de finales de 2024, con los módulos finales instalados en 2025.

Cuando los rayos de isótopos raros producidos en FRIB golpean un objetivo fijo, pueden sufrir una variedad de reacciones nucleares. Estas reacciones pueden producir núcleos aún más exóticos que emiten una secuencia de rayos gamma, que proporcionan información sobre su estructura nuclear interna. Los isótopos son variedades de elementos que tienen la misma cantidad de protones cargados positivamente en sus núcleos, pero tienen más o menos partículas sin carga llamadas neutrones en comparación con la forma estándar de un elemento.

GRETA rodeará completamente estos objetivos para proporcionar datos increíblemente detallados sobre la dirección 3-D y la energía de los rayos gamma que se propagan a través de sus detectores. La electrónica ultrarrápida permitirá a los detectores capturar hasta 50, 000 señales por segundo en cada cristal, y un clúster informático dedicado realizará el procesamiento de señales en tiempo real en hasta 480, 000 interacciones de rayos gamma por segundo que se detectan dentro de la esfera GRETA.

FRIB estará equipado con un potente acelerador que puede producir haces de partículas a partir de elementos tan pesados ​​como el uranio. y tendrá la capacidad de crear y estudiar más de 1, 000 nuevos isótopos disparando objetivos con haces de alta energía.

GRETA está diseñado para ser flexible de modo que pueda adaptarse a una amplia gama de instrumentación para experimentos, y también móvil para que pueda ser utilizado en diferentes sitios experimentales en FRIB y otras instalaciones. "GRETA está optimizado para la amplia gama de ciencia en FRIB, Fallon dijo:y también se utilizará en el Sistema Acelerador Argonne Tandem Linac (ATLAS) en el Laboratorio Nacional Argonne.

GRETA será clave para muchos experimentos en FRIB:aproximadamente dos tercios de los objetivos de investigación planificados en FRIB utilizarán el detector GRETA, Fallon dijo.

Los experimentos estudiarán núcleos en los extremos, y con mayor sensibilidad

Entre sus usos estará el estudio de las formas de isótopos más ricas en neutrones antes de que se vuelvan inestables. Este extremo se conoce como línea de goteo de neutrones, "ya que representa la última forma estable de un isótopo antes de que no pueda transportar más neutrones, y su núcleo comienza a "gotear" o emitir neutrones.

GRETA también se utilizará para identificar núcleos que exhiben formas parecidas a peras. Tales experimentos ayudarán a los científicos a conocer los límites de las propiedades más extremas de los núcleos atómicos, proporcionar datos clave sobre su creación, e identificar nuevos núcleos que pongan a prueba nuestra comprensión de las interacciones y fuerzas fundamentales de la naturaleza que gobiernan la estructura de la materia.

Juntos, FRIB y GRETA tendrán de 10 a 100 veces más sensibilidad en los experimentos de ciencia nuclear de lo que es posible con los aceleradores y detectores existentes. Fallon señaló.

Se construirá GRETA, ensamblado y probado en Berkeley Lab antes de ser enviado a FRIB. Berkeley Lab lideró el desarrollo de los detectores para el proyecto y es responsable de supervisar su entrega. y también lidera el diseño y fabricación de la electrónica de procesamiento de señales de GRETA, informática, y sistemas mecánicos; Argonne Lab está desarrollando la electrónica relacionada con sus sistemas de activación y sincronización; La Universidad Estatal de Michigan es responsable de caracterizar el desempeño de sus detectores; y Oak Ridge Lab es responsable del procesamiento de señales en tiempo real para localizar las interacciones de los rayos gamma dentro de los cristales GRETA.

Una vez completado GRETA, Berkeley Lab seguirá desempeñando un papel importante en su electrónica, informática, y actualizaciones, y en la reconfiguración del instrumento para experimentos. Aproximadamente 25 científicos e ingenieros de Berkeley Lab están involucrados en el proyecto GRETA, Fallon dijo.