Kunne lasere syntetisere tunge grundstoffer produceret i neutronstjernefusioner? – Fysik verden

Kunne lasere syntetisere tunge grundstoffer produceret i neutronstjernefusioner? – Fysik verden

Tidsstempel: 19. marts 2024 kl. 5:30


Foto af indersiden af ​​målkammeret ved Apollon, der viser parablen uden for aksen og nogle diagnoser
Den eksperimentelle kampagne om neutrongenereringen ved Apollon: Indersiden af ​​målkammeret, der viser parablen uden for aksen og noget diagnostik. (Med høflighed: Julien Fuchs)

En astrofysisk proces, der skaber grundstoffer, der er tungere end jern, kan være endnu mere udfordrende at reproducere i laboratoriet, end man tidligere har troet - men ikke umuligt. Dette er konklusionen fra forskere ved Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) i Frankrig, som rapporterer, at reproduktionsforhold, der typisk ses under neutronstjernefusioner, vil kræve store forbedringer af både proton- og neutronkilder. Denne indsigt er afgørende, siger de, fordi den giver en mere realistisk ramme for fremtidige bestræbelser på at replikere stjerneprocesser.

Mange tungere-end-jern-elementer dannes via de såkaldte r-proces, hvor r henviser til hurtig neutronfangst. Denne proces opstår, når to neutronstjerner smelter sammen, hvilket skaber en overflod af frie neutroner. I disse neutronrige miljøer fanger atomkerner neutroner meget hurtigere, end de kan miste dem via beta-henfald (som opstår, når en kerne udsender en energisk elektron eller positron og derved omdanner en af ​​dens neutroner til en proton).

Forskere mener, at r-processen er kilden til omkring halvdelen af ​​alle tunge grundstoffer, der findes i universet i dag. Imidlertid er de nøjagtige betingelser, der kræves for at lette hurtig neutronfangst, ikke fuldt ud forstået. Dette skyldes, at det er ekstremt svært at generere de neutronfluxer med meget høj tæthed, der er nødvendige for at skabe neutronrige isotoper i laboratoriet.

Et næste generations multi-petawatt lasersystem

Den gode nyhed er, at laserdrevne (pulserende) neutronkilder kunne producere de nødvendige typer neutronstråler. I tilgangen udviklet af Vojtěch Horný og kolleger på LULI, ville en sådan laser først rette ultraintense lysimpulser mod et fast mål. Dette ville få brintioner fra et forurenende lag på målets overflade til at accelerere til en betydelig brøkdel af lysets hastighed, forklarer Horný. Disse brintioner ville derefter blive rettet til et sekundært mål lavet af guld, der ville fungere som både neutronkonverter og neutronfangstmål.

"I modsætning til den traditionelle metode, der accelererer deuteroner [tunge brintioner] til fusionsreaktioner i en lavatomtalskonverter (for eksempel en fremstillet af beryllium) for at frigive neutroner, udnytter vores tilgang en ny generation af multi-petawatt lasersystem til at udløse en mere effektiv spallationsproces i materialer med højt atomnummer,” fortæller Horný Fysik verden. "Her rammer protoner accelereret til energier i hundredvis af megaelektronvolt (MeV) rækkevidde en tung kerne og frigiver et højere antal neutroner."

Måder at øge neutronproduktionen

Horný fortæller, at målet med denne metode, som er beskrevet i Fysisk gennemgang C, er at øge neutronproduktionen væsentligt. Ved hjælp af numeriske simuleringer beregnede han og hans kolleger, at aktuelt tilgængelige lasere ville producere et ubetydeligt antal neutronrige isotoper (defineret som dem med mindst to flere neutroner end den oprindelige frøkerne).

En god isotoptælling ville dog ikke desto mindre være mulig, hvis neutronerne blev bremset ned til meget lave energier (20 millielektronvolt, svarende til temperaturen på fast brint). Sådanne langsomme hastigheder ville øge neutronernes sandsynlighed for at blive fanget. Laseren skal også pulseres med en frekvens på 100 Hz i flere timer.

Det er alle store ordrer, men Horný giver ikke op. "På trods af den nøgterne erkendelse af, at nuværende proton- og neutronkilder udelukker observation på kort sigt af r-proces via laserdrevne neutronkilder, har vores arbejde lagt et vigtigt grundlag,” siger han. Der er også grund til at håbe på teknologiske fremskridt. Som eksempel nævner Horný en igangværende projekt ved Colorado State University i USA, hvor forskere bygger to 200 Joule, 100 Femtosekund, 100 Hz lasere. Dette projekt, siger han, "repræsenterer et væsentligt skridt fremad".

Den intense flux af neutroner, som holdet beskrev, kunne have andre anvendelser, tilføjer Horný. Disse omfatter rekonstruering af et materiales grundstofsammensætning ved hjælp af hurtig neutronresonansradiografi; hurtig neutronaktivering; og hurtig neutronbehandling i medicin.

LULI-teamet forbereder sig nu på at fremstille deres foreslåede laserkilde med håb om at opnå rekordstore neutronparametre ved hjælp af Apollon laser system. Horný er på sin side flyttet til Ekstrem lysinfrastruktur-kernefysik (ELI-NP) i Rumænien, hvor hans arbejde som forsker vil fokusere på at fremme elektron- og ionacceleration, samt at generere højenergistråling fra laser-plasma-interaktioner. Den nye rolle, siger han, involverer at udforske forskellige kilder til sekundære partikler, herunder neutroner.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden