Könnten Laser schwere Elemente synthetisieren, die bei Neutronensternverschmelzungen entstehen? – Welt der Physik

Ein astrophysikalischer Prozess, der Elemente erzeugt, die schwerer als Eisen sind, könnte im Labor noch schwieriger zu reproduzieren sein als bisher angenommen – aber nicht unmöglich. Zu diesem Schluss kommen Forscher des Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) in Frankreich, die berichten, dass die Reproduktion der typischen Bedingungen bei Neutronensternverschmelzungen erhebliche Verbesserungen sowohl an den Protonen- als auch an den Neutronenquellen erfordern wird. Diese Erkenntnis sei von entscheidender Bedeutung, weil sie einen realistischeren Rahmen für zukünftige Bemühungen zur Nachbildung stellarer Prozesse biete.

Viele Elemente, die schwerer als Eisen sind, entstehen über die sogenannte r-Prozess, wo r bezieht sich auf den schnellen Neutroneneinfang. Dieser Prozess findet statt, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen und eine Fülle freier Neutronen entstehen. In diesen neutronenreichen Umgebungen fangen Atomkerne Neutronen viel schneller ein, als sie sie durch Betazerfall verlieren können (der auftritt, wenn ein Kern ein energiereiches Elektron oder Positron aussendet und dadurch eines seiner Neutronen in ein Proton umwandelt).

Wissenschaftler glauben, dass die r-Prozess ist die Quelle von etwa der Hälfte aller heute im Universum vorkommenden schweren Elemente. Die genauen Bedingungen, die zur Erleichterung des schnellen Neutroneneinfangs erforderlich sind, sind jedoch nicht vollständig geklärt. Dies liegt daran, dass es äußerst schwierig ist, die Neutronenflüsse mit sehr hoher Dichte zu erzeugen, die zur Erzeugung neutronenreicher Isotope im Labor erforderlich sind.

Ein Multi-Petawatt-Lasersystem der nächsten Generation

Die gute Nachricht ist, dass laserbetriebene (gepulste) Neutronenquellen die benötigten Arten von Neutronenstrahlen erzeugen könnten. In dem von entwickelten Ansatz Vojtěch Horný und Kollegen an der LULI, würde ein solcher Laser zunächst ultraintensive Lichtimpulse auf ein festes Ziel richten. Dies würde dazu führen, dass Wasserstoffionen aus einer Schadstoffschicht auf der Oberfläche des Ziels auf einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, erklärt Horný. Diese Wasserstoffionen würden dann auf ein sekundäres Target aus Gold gelenkt, das sowohl als Neutronenkonverter als auch als Neutroneneinfangziel dienen würde.

„Im Gegensatz zur herkömmlichen Methode, die Deuteronen [schwere Wasserstoffionen] für Fusionsreaktionen in einem Konverter mit niedriger Ordnungszahl (z. B. einem aus Beryllium) beschleunigt, um Neutronen freizusetzen, nutzt unser Ansatz ein Multi-Petawatt-Lasersystem der neuen Generation einen effizienteren Spallationsprozess in Materialien mit hoher Ordnungszahl auslösen“, erzählt Horný Physik-Welt. „Hier treffen Protonen, die auf Energien im Bereich von Hunderten von Megaelektronenvolt (MeV) beschleunigt werden, auf einen schweren Kern und setzen eine größere Anzahl von Neutronen frei.“

Möglichkeiten zur Verbesserung der Neutronenproduktion

Horný sagt, dass das Ziel dieser Methode, die in beschrieben wird Körperliche Überprüfung Csoll die Neutronenproduktion deutlich steigern. Mithilfe numerischer Simulationen berechneten er und seine Kollegen, dass derzeit verfügbare Laser eine vernachlässigbare Anzahl neutronenreicher Isotope erzeugen würden (definiert als solche mit mindestens zwei Neutronen mehr als der ursprüngliche Keimkern).

Eine gute Isotopenzählung wäre jedoch dennoch möglich, wenn die Neutronen auf sehr niedrige Energien (20 Millielektronenvolt, entsprechend der Temperatur von festem Wasserstoff) abgebremst würden. Solche langsamen Geschwindigkeiten würden die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Neutronen eingefangen werden. Außerdem müsste der Laser mehrere Stunden lang mit einer Frequenz von 100 Hz gepulst werden.

Das sind alles große Aufgaben, aber Horný gibt nicht auf. „Trotz der ernüchternden Erkenntnis, dass aktuelle Protonen- und Neutronenquellen eine kurzfristige Beobachtung der … verhindern r„Mit unserer Arbeit haben wir wichtige Grundlagen für den Prozess über laserbetriebene Neutronenquellen gelegt“, sagt er. Es gibt auch Gründe, hinsichtlich des technischen Fortschritts hoffnungsvoll zu sein. Als Beispiel nennt Horný eine fortlaufende Projekt an der Colorado State University in den USA, wo Forscher zwei 200-Joule-, 100-Femtosekunden- und 100-Hz-Laser bauen. Dieses Projekt sei „ein bedeutender Fortschritt“, sagt er.

Der vom Team beschriebene intensive Neutronenfluss könnte andere Anwendungen haben, fügt Horný hinzu. Dazu gehört die Rekonstruktion der Elementzusammensetzung eines Materials mithilfe schneller Neutronenresonanzradiographie; schnelle Neutronenaktivierung; und schnelle Neutronentherapie in der Medizin.

Das LULI-Team bereitet sich nun auf die Herstellung seiner vorgeschlagenen Laserquelle vor, in der Hoffnung, mit dieser rekordverdächtige Neutronenparameter zu erreichen Apollon-Lasersystem. Horný seinerseits ist in die umgezogen Extreme Lichtinfrastruktur-Kernphysik (ELI-NP) in Rumänien, wo sich seine Arbeit als Forschungswissenschaftler auf die Weiterentwicklung der Elektronen- und Ionenbeschleunigung sowie die Erzeugung hochenergetischer Strahlung aus Laser-Plasma-Wechselwirkungen konzentrieren wird. Die neue Aufgabe, sagt er, beinhalte die Erforschung verschiedener Quellen von Sekundärteilchen, darunter Neutronen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/could-lasers-synthesize-heavy-elements-produced-in-neutron-star-mergers/