Voivatko laserit syntetisoida raskaita elementtejä, joita syntyy neutronitähtien sulautumisissa? – Fysiikan maailma

Voivatko laserit syntetisoida raskaita elementtejä, joita syntyy neutronitähtien sulautumisissa? – Fysiikan maailma

Aikaleima: 19. maaliskuuta 2024 5


Kuva Apollonin kohdekammion sisäpuolelta, jossa näkyy akselin ulkopuolinen paraabeli ja joitain diagnostiikkaa
Kokeellinen kampanja neutronien synnystä Apollonissa: Kohdekammion sisäpuoli, joka näyttää akselin ulkopuolisen paraabelin ja joitain diagnostiikkaa. (Kohtelias: Julien Fuchs)

Astrofysikaalinen prosessi, joka luo rautaa raskaampia alkuaineita, voi olla vieläkin haastavampi toistaa laboratoriossa kuin aiemmin uskottiin – mutta ei mahdotonta. Tämä on Ranskan Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) -laitoksen tutkijat, jotka raportoivat, että neutronitähtien fuusioiden aikana tyypillisesti havaitut olosuhteet edellyttävät suuria parannuksia sekä protoni- että neutronilähteisiin. He sanovat, että tämä näkemys on ratkaisevan tärkeä, koska se tarjoaa realistisemman kehyksen tuleville pyrkimyksille toistaa tähtien prosesseja.

Monet rautaa raskaammat alkuaineet muodostuvat ns r-prosessi, missä r viittaa nopeaan neutronien sieppaamiseen. Tämä prosessi tapahtuu, kun kaksi neutronitähteä yhdistyvät, jolloin syntyy runsaasti vapaita neutroneja. Näissä runsaasti neutroneja sisältävissä ympäristöissä atomiytimet vangitsevat neutroneja paljon nopeammin kuin ne voivat menettää ne beeta-hajoamisen kautta (joka tapahtuu, kun ydin lähettää energisen elektronin tai positronin, jolloin yksi neutroneista muuttuu protoniksi).

Tutkijat uskovat, että r-prosessi on lähde noin puolet kaikista maailmankaikkeudessa nykyisin esiintyvistä raskaista alkuaineista. Tarkkoja olosuhteita, joita tarvitaan nopean neutronien sieppaamiseen, ei kuitenkaan täysin ymmärretä. Tämä johtuu siitä, että laboratoriossa on äärimmäisen vaikeaa tuottaa erittäin tiheitä neutronivirtoja, joita tarvitaan neutronirikkaiden isotooppien luomiseen.

Uuden sukupolven usean petawatin laserjärjestelmä

Hyvä uutinen on, että laserohjatut (pulssi) neutronilähteet voivat tuottaa vaadittuja neutronisäteitä. Lähestymistavasta, jonka on kehittänyt Vojtěch Horný ja kollegat LULI, tällainen laser ohjaisi ensin ultraintensiiviset valopulssit kiinteään kohteeseen. Tämä saattaisi kohteen pinnalla olevan epäpuhtauskerroksen vetyionit kiihtymään merkittävään osaan valon nopeudesta, Horný selittää. Nämä vetyionit ohjattaisiin sitten kullasta valmistettuun toissijaiseen kohteeseen, joka toimisi sekä neutronimuuntimena että neutronien sieppauskohteena.

"Toisin kuin perinteinen menetelmä, joka kiihdyttää deuteroneja [raskaita vetyioneja] fuusioreaktioissa pienen atomiluvun muuntimessa (esimerkiksi berylliumia valmistetussa muuntimessa) neutronien vapauttamiseksi, lähestymistapamme hyödyntää uuden sukupolven usean petawatin laserjärjestelmää. käynnistää tehokkaamman spallaatioprosessin korkeaatomilukuisissa materiaaleissa”, Horný kertoo Fysiikan maailma. "Täällä protonit, jotka kiihtyvät satojen megaelektronivolttien (MeV) energioihin, iskevät raskaaseen ytimeen vapauttaen suuremman määrän neutroneja."

Keinot tehostaa neutronien tuotantoa

Horný sanoo, että tämän menetelmän tavoite, joka on kuvattu kohdassa Fyysinen arviointi C, lisää merkittävästi neutronien tuotantoa. Numeeristen simulaatioiden avulla hän ja hänen kollegansa laskivat, että tällä hetkellä saatavilla olevat laserit tuottaisivat merkityksettömän määrän neutroneja sisältäviä isotooppeja (määritelty sellaisiksi, joissa on vähintään kaksi neutronia enemmän kuin alkuperäinen siemenydin).

Hyvä isotooppiluku olisi kuitenkin mahdollista, jos neutronit hidastettaisiin hyvin alhaisiin energioihin (20 millielektronivolttia, mikä vastaa kiinteän vedyn lämpötilaa). Tällaiset hitaat nopeudet lisäisivät neutronien sieppaamisen todennäköisyyttä. Laseria olisi myös pulsoitava 100 Hz:n taajuudella useita tunteja.

Ne ovat kaikki korkeita määräyksiä, mutta Horný ei anna periksi. "Huolimatta raitistavasta oivalluksesta, että nykyiset protoni- ja neutronilähteet estävät lähiajan tarkkailun r-prosessi laserohjattujen neutronilähteiden kautta, työmme on luonut tärkeän pohjan", hän sanoo. On myös syytä olla toiveikas teknologisen kehityksen suhteen. Esimerkkinä Horný mainitsee meneillään olevan projekti Colorado State Universityssä Yhdysvalloissa, jossa tutkijat rakentavat kahta 200 joulen, 100 femtosekuntia ja 100 Hz laseria. Hän sanoo, että tämä projekti on merkittävä askel eteenpäin.

Tiimin kuvaamalla voimakkaalla neutronivuolla voi olla muita sovelluksia, Horný lisää. Näitä ovat materiaalin alkuainekoostumuksen rekonstruointi käyttämällä nopeaa neutroniresonanssiradiografiaa; nopea neutronien aktivointi; ja nopea neutronihoito lääketieteessä.

LULI-tiimi valmistautuu nyt valmistamaan ehdotettua laserlähdettä toivoen saavuttavansa ennätykselliset neutroniparametrit käyttämällä Apollon laserjärjestelmä. Horný puolestaan ​​on muuttanut Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP) Romaniassa, jossa hänen työnsä tutkijana keskittyy elektronien ja ionien kiihtyvyyden edistämiseen sekä korkeaenergisen säteilyn tuottamiseen laser-plasma-vuorovaikutuksista. Hän sanoo, että uuteen rooliin kuuluu erilaisten sekundaaristen hiukkasten lähteiden, mukaan lukien neutronien, tutkiminen.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma