Kunnen lasers zware elementen synthetiseren die worden geproduceerd bij fusies van neutronensterren? – Natuurkunde Wereld

Een astrofysisch proces dat elementen creëert die zwaarder zijn dan ijzer, kan in het laboratorium wellicht nog moeilijker te reproduceren zijn dan eerder werd aangenomen – maar niet onmogelijk. Dit is de conclusie van onderzoekers van het Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) in Frankrijk, die melden dat reproductieomstandigheden die doorgaans voorkomen bij fusies van neutronensterren grote verbeteringen aan zowel protonen- als neutronenbronnen vereisen. Dit inzicht is cruciaal, zeggen ze, omdat het een realistischer raamwerk biedt voor toekomstige pogingen om stellaire processen te repliceren.

Veel zwaarder dan ijzer-elementen vormen zich via de zogenaamde r-proces, waar r verwijst naar snelle neutronenvangst. Dit proces vindt plaats wanneer twee neutronensterren samensmelten, waardoor een overvloed aan vrije neutronen ontstaat. In deze neutronenrijke omgevingen vangen atoomkernen neutronen veel sneller op dan ze kunnen verliezen via bètaverval (dat optreedt wanneer een kern een energetisch elektron of positron uitzendt, waardoor een van zijn neutronen in een proton wordt omgezet).

Wetenschappers geloven dat de r-proces is de bron van ongeveer de helft van alle zware elementen die tegenwoordig in het universum worden aangetroffen. De exacte omstandigheden die nodig zijn om snelle neutronenvangst mogelijk te maken, worden echter niet volledig begrepen. Dit komt omdat het uiterst moeilijk is om de neutronenfluxen met zeer hoge dichtheid te genereren die nodig zijn om neutronenrijke isotopen in het laboratorium te creëren.

Een multi-petawatt lasersysteem van de volgende generatie

Het goede nieuws is dat laseraangedreven (gepulseerde) neutronenbronnen de benodigde typen neutronenbundels kunnen produceren. In de aanpak ontwikkeld door Vojtěch Horný en collega's bij de LULIzou een dergelijke laser eerst ultra-intensieve lichtpulsen op een vast doelwit richten. Dit zou ertoe leiden dat waterstofionen uit een verontreinigende laag op het oppervlak van het doel versnellen tot een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid, legt Horný uit. Deze waterstofionen zouden vervolgens naar een secundair doelwit van goud worden gestuurd dat zou dienen als zowel neutronenconverter als neutronenvangstdoel.

“In tegenstelling tot de traditionele methode die deuteronen [zware waterstofionen] versnelt voor fusiereacties in een converter met een laag atoomnummer (bijvoorbeeld een converter gemaakt van beryllium) om neutronen vrij te geven, maakt onze aanpak gebruik van een nieuwe generatie multi-petawatt lasersysteem om zorgen voor een efficiënter spallatieproces in materialen met een hoog atoomnummer”, vertelt Horný Natuurkunde wereld. “Hier treffen protonen die worden versneld tot energieën in het bereik van honderden mega-elektronvolts (MeV) een zware kern, waardoor een groter aantal neutronen vrijkomt.”

Manieren om de productie van neutronen te verbeteren

Horný zegt dat het doel van deze methode, die wordt beschreven in Fysieke beoordeling C, is om de neutronenproductie aanzienlijk te verbeteren. Met behulp van numerieke simulaties berekenden hij en zijn collega's dat de momenteel beschikbare lasers een verwaarloosbaar aantal neutronenrijke isotopen zouden produceren (gedefinieerd als die met minstens twee neutronen meer dan de initiële zaadkern).

Een goede isotopentelling zou echter niettemin mogelijk zijn als de neutronen zouden worden vertraagd tot zeer lage energieën (20 milli-elektronvolt, overeenkomend met de temperatuur van vaste waterstof). Dergelijke lage snelheden zouden de kans vergroten dat de neutronen worden gevangen. De laser zou ook gedurende enkele uren moeten worden gepulseerd met een frequentie van 100 Hz.

Dat zijn allemaal grote opgaven, maar Horný geeft niet op. “Ondanks het ontnuchterende besef dat de huidige protonen- en neutronenbronnen de observatie op korte termijn van de r-proces via lasergestuurde neutronenbronnen, heeft ons werk een belangrijke basis gelegd”, zegt hij. Er zijn ook redenen om hoopvol te zijn over de technologische vooruitgang. Als voorbeeld noemt Horný een lopende project aan de Colorado State University in de VS, waar onderzoekers twee lasers van 200 joule, 100 femtoseconde en 100 Hz bouwen. Dit project, zegt hij, “betekent een belangrijke stap voorwaarts”.

De intense flux van neutronen die het team beschreef, zou andere toepassingen kunnen hebben, voegt Horný toe. Deze omvatten het reconstrueren van de elementaire samenstelling van een materiaal met behulp van snelle neutronenresonantieradiografie; snelle neutronenactivering; en snelle neutronentherapie in de geneeskunde.

Het LULI-team bereidt zich nu voor op de fabricage van hun voorgestelde laserbron, in de hoop recordbrekende neutronenparameters te bereiken met behulp van de Apollon-lasersysteem. Horný van zijn kant is verhuisd naar de Extreem lichte infrastructuur-Kernfysica (ELI-NP) in Roemenië, waar zijn werk als onderzoekswetenschapper zich zal concentreren op het bevorderen van de versnelling van elektronen en ionen, en op het genereren van hoogenergetische straling uit laser-plasma-interacties. De nieuwe rol, zegt hij, omvat het onderzoeken van verschillende bronnen van secundaire deeltjes, waaronder neutronen.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/could-lasers-synthesize-heavy-elements-produced-in-neutron-star-mergers/