GODDESS est montré couplé à GRETINA avec des expérimentateurs, de gauche, Guirlande de bruyère, Chad Ummel et Gwen Seymour, tous de l'Université Rutgers, et Rajesh Ghimire de l'Université du Tennessee-Knoxville et ORNL; et de gauche (rangée arrière), Josh Hooker d'UTK et Steven Pain d'ORNL. Crédit :Andrew Ratkiewicz/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les Grecs de l'Antiquité imaginaient que tout dans le monde naturel venait de leur déesse Physis; son nom est la source du mot physique. Les physiciens nucléaires d'aujourd'hui du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont créé leur propre GODDESS - un détecteur donnant un aperçu des réactions nucléaires astrophysiques qui produisent des éléments plus lourds que l'hydrogène (cet élément le plus léger a été créé juste après le Big Bang) .
Les chercheurs ont développé un détecteur de particules chargées de pointe à l'ORNL appelé Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, ou ORRUBA, étudier les réactions avec des faisceaux de noyaux radioactifs d'importance astrophysique. Récemment, ses détecteurs au silicium ont été améliorés et étroitement emballés pour le préparer à fonctionner de concert avec de grands détecteurs de rayons gamma à base de germanium, comme la gammasphère, et le système de détection de poursuite de rayons gamma de nouvelle génération, GRETINE. Le résultat est GODDESS—Gammasphere/GRETINA ORRUBA :Dual Detectors for Experimental Structure Studies.
Avec une résolution de position millimétrique, GODDESS enregistre les émissions des réactions qui se déroulent lorsque des faisceaux énergétiques de noyaux radioactifs gagnent ou perdent des protons et des neutrons et émettent des rayons gamma ou des particules chargées, comme les protons, deutérons, tritons, hélium-3 ou particules alpha.
"Les particules chargées dans les détecteurs de silicium nous disent comment le noyau s'est formé, et les rayons gamma nous disent comment il s'est désintégré, " a expliqué Steven Pain de la division de physique de l'ORNL. " Nous fusionnons les deux ensembles de données et les utilisons comme s'il s'agissait d'un seul détecteur pour une image complète de la réaction. "
Plus tôt cette année, Pain a conduit plus de 50 scientifiques de 12 institutions dans des expériences GODDESS pour comprendre les origines cosmiques des éléments. Il est chercheur principal de deux expériences et co-chercheur principal d'une troisième. L'analyse des données des expériences complexes devrait prendre deux ans.
"Presque tous les noyaux stables lourds de l'univers sont créés par des noyaux instables réagissant puis revenant à la stabilité, " a dit la douleur.
le composant ORRUBA de GODDESS, montré sous une forme précoce qui n'était pas assez compacte pour le couplage avec des détecteurs de rayons gamma, se rendra à MSU pour une expérience autonome pour étudier le potassium-38 (d'intérêt pour les études de novae) et pour un couplage ultérieur avec GRETINA pour explorer le germanium-80 (pertinent pour comprendre le processus). Crédit :Steven Pain/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie.
Un siècle de transmutation nucléaire
En 1911, Ernest Rutherford fut stupéfait d'observer que les particules alpha, lourdes et chargées positivement, rebondissaient parfois vers l'arrière. Il a conclu qu'ils devaient avoir heurté quelque chose d'extrêmement dense et chargé positivement, possible seulement si presque toute la masse d'un atome était concentrée en son centre. Il avait découvert le noyau atomique. Il a ensuite étudié les nucléons (protons et neutrons) qui composent le noyau et qui sont entourés de coquilles d'électrons en orbite.
Un élément peut se transformer en un autre lorsque les nucléons sont capturés, échangés ou expulsés. Quand cela se produit dans les étoiles, ça s'appelle la nucléosynthèse. Rutherford est tombé sur ce processus en laboratoire grâce à un résultat anormal dans une série d'expériences de diffusion de particules. La première transmutation nucléaire artificielle a fait réagir l'azote-14 avec une particule alpha pour créer de l'oxygène-17 et un proton. L'exploit a été publié en 1919, les progrès de l'ensemencement dans la chambre à brouillard nouvellement inventée, les découvertes sur les noyaux à vie courte (qui constituent 90% des noyaux), et des expériences qui continuent à ce jour comme une priorité absolue pour la physique.
"Il ya un siècle, la première réaction nucléaire d'isotopes stables a été déduite par des observateurs humains comptant des éclairs de lumière avec un microscope, " a noté Douleur, qui est "l'arrière-arrière-petit-fils" de Rutherford au sens académique :son doctorat. le directeur de thèse était Wilton Catford, dont le conseiller était Kenneth Allen, dont le conseiller était William Burcham, dont le conseiller était Rutherford. "Aujourd'hui, des détecteurs avancés comme GODDESS nous permettent d'explorer, avec une grande sensibilité, réactions des noyaux radioactifs instables difficiles d'accès qui entraînent les explosions astrophysiques générant de nombreux éléments stables qui nous entourent. »
ORRUBA s'intègre désormais parfaitement dans cette sphère de 14 pouces de diamètre. A gauche, une ligne de faisceau dirige des noyaux radioactifs énergétiques dans la sphère pour frapper une cible centrale. Les détecteurs de silicium brillant à l'intérieur de la sphère forment les barres du canon d'ORRUBA. Crédit :Steven Pain/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Comprendre l'emballement thermonucléaire
Une expérience menée par Pain portait sur le phosphore-30, ce qui est important pour comprendre certains emballements thermonucléaires. "Nous cherchons à comprendre la nucléosynthèse dans les explosions de nova - les explosions stellaires les plus courantes, ", a-t-il dit. Une nova se produit dans un système binaire dans lequel une naine blanche tire gravitationnellement un matériau riche en hydrogène d'une étoile "compagnon" voisine jusqu'à ce qu'un emballement thermonucléaire se produise et que la couche de surface de la naine blanche explose. Les cendres de ces explosions modifient la composition chimique de la galaxie.
Rajesh Ghimire, étudiant diplômé de l'Université du Tennessee, analyse les données de l'expérience sur le phosphore, qui a transféré un neutron du deutérium dans une cible sur un faisceau intense de l'isotope radioactif de courte durée phosphore-30. Les détecteurs de particules et de rayons gamma ont repéré ce qui a émergé, temps de corrélation, lieux et énergies de production de protons et de rayons gamma.
Le noyau phosphore-30 affecte fortement les rapports de la plupart des éléments plus lourds produits lors d'une explosion de nova. Si les réactions phosphore-30 sont comprises, les rapports élémentaires peuvent être utilisés pour mesurer la température maximale atteinte par la nova. "C'est un observable que quelqu'un avec un télescope pourrait voir, " a dit la douleur.
GODDESS mesure les réactions de transfert se produisant après qu'un faisceau radioactif bombarde une cible contenant du deutérium à l'intérieur d'un baril de détecteurs au silicium. "C'est à peu près du silicium dans toutes les directions, ", a déclaré la douleur. "Peu importe d'où sort la particule, nous le détectons. Crédit :Steven Pain/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Création d'éléments lourds éclairants
La deuxième expérience menée par Pain a transmuté un isotope beaucoup plus lourd, tellure-134. "Ce noyau est impliqué dans le processus rapide de capture de neutrons, ou r processus, c'est ainsi que se forment la moitié des éléments plus lourds que le fer dans l'univers, " Lié à la douleur. Cela se produit dans un environnement avec de nombreux neutrons libres, peut-être des supernovae ou des fusions d'étoiles à neutrons. " Nous savons que cela arrive, parce que nous voyons les éléments autour de nous, mais nous ne savons toujours pas exactement où et comment cela se produit."
La compréhension de la nucléosynthèse par processus r sera une activité majeure de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), une installation utilisateur du DOE Office of Science devrait ouvrir ses portes à la Michigan State University (MSU) en 2022. FRIB permettra des découvertes sur les isotopes rares, astrophysique nucléaire et interactions fondamentales, et applications en médecine, la sécurité intérieure et l'industrie.
"Le processus r est très, réseau de réactions très compliqué; de nombreux, beaucoup de morceaux y entrent, " Pain a souligné. " Vous ne pouvez pas faire une expérience et avoir la réponse. "
L'expérience tellure-134 démarre avec du californium radioactif fabriqué à l'ORNL et installé sur le système d'accélérateur linéaire en tandem d'Argonne (ATLAS), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Argonne National Laboratory. Le californium se fissonne spontanément, avec du tellure-134 parmi les produits. Un faisceau de tellure-134 est accéléré dans une cible de deutérium et absorbe un neutron, crachant un proton dans le processus. "Le tellure-134 entre, mais le tellure-135 s'éteint, " La douleur résume.
« Nous détectons ce proton dans les détecteurs au silicium de GODDESS. Le tellure-135 continue le long de la ligne de faisceau. L'énergie et l'angle du proton nous renseignent sur le tellure-135 que nous avons créé. l'un quelconque d'un certain nombre d'états excités. Les états excités se désintègrent en émettant un rayon gamma. " Les détecteurs au germanium révèlent l'énergie des rayons gamma avec une résolution sans précédent pour montrer comment le noyau s'est désintégré. Ensuite, le noyau pénètre dans un détecteur de gaz, créant une piste de gaz ionisé à partir de laquelle les électrons retirés sont collectés. La mesure de l'énergie déposée dans différentes régions du détecteur permet aux chercheurs d'identifier définitivement le noyau.
Chad Ummel, étudiant diplômé de Rutgers, se concentre sur l'analyse de l'expérience. Dit Douleur, "Nous essayons de comprendre le rôle de ce noyau de tellure-134 dans le processus r dans différents sites astrophysiques potentiels. Le flux de réaction dans ce réseau de réactions de capture de neutrons affecte les abondances des éléments créés. Nous devons comprendre ce réseau pour comprendre l'origine des éléments lourds."
Avenir de la DÉESSE
Les chercheurs continueront à développer des équipements et des techniques pour une utilisation actuelle de GODDESS à Argonne et MSU et une utilisation future à FRIB, qui donnera un accès sans précédent à de nombreux noyaux instables actuellement hors de portée. Les expériences futures emploieront deux stratégies.
On utilise des faisceaux rapides de noyaux qui ont été fragmentés en d'autres noyaux. Pain compare les divers produits nucléaires à un zoo entier dévalant la ligne de faisceau dans le chaos. Les noyaux en mouvement rapide traversent une série d'aimants qui sélectionnent les "zèbres" souhaités et éliminent les "girafes" indésirables, " " gnous " et " hippopotames ".
L'autre approche arrête les ions avec un matériau, les réionise, puis les réaccélère avant qu'ils ne puissent se désintégrer radioactivement. Douleur expliquée, "Ça permet d'enfermer tous les zèbres, les calmer, puis amenez-les en ordre dans la direction, taux et la vitesse que vous voulez."
Apprivoiser les éléments qui rendent les planètes et les humains possibles, c'est en effet le domaine d'une déesse physique.