Kan lasere syntetisere tunge elementer produsert i nøytronstjernesammenslåinger? – Fysikkverden

Kan lasere syntetisere tunge elementer produsert i nøytronstjernesammenslåinger? – Fysikkverden

Tidsstempel: 19. mars 2024 5:30


Foto av innsiden av målkammeret ved Apollon som viser parabelen utenfor aksen og noe diagnostikk
Den eksperimentelle kampanjen om nøytrongenereringen ved Apollon: Innsiden av målkammeret som viser parabelen utenfor aksen og noe diagnostikk. (Med tillatelse: Julien Fuchs)

En astrofysisk prosess som skaper grunnstoffer som er tyngre enn jern, kan være enda mer utfordrende å reprodusere i laboratoriet enn tidligere antatt – men ikke umulig. Dette er konklusjonen til forskere ved Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) i Frankrike, som rapporterer at reproduksjonsforhold som vanligvis sees under nøytronstjernesammenslåinger vil kreve store forbedringer av både proton- og nøytronkilder. Denne innsikten er avgjørende, sier de, fordi den gir et mer realistisk rammeverk for fremtidig innsats for å gjenskape stjerneprosesser.

Mange tyngre-enn-jern-elementer dannes via den såkalte r-prosess, hvor r refererer til rask nøytronfangst. Denne prosessen skjer når to nøytronstjerner smelter sammen, og skaper en overflod av frie nøytroner. I disse nøytronrike miljøene fanger atomkjerner opp nøytroner mye raskere enn de kan miste dem via beta-forfall (som oppstår når en kjerne sender ut et energisk elektron eller positron, og transformerer dermed et av dets nøytroner til et proton).

Forskere mener at r-prosess er kilden til omtrent halvparten av alle tunge grunnstoffer som finnes i universet i dag. Imidlertid er de nøyaktige forholdene som kreves for å lette rask nøytronfangst ikke fullt ut forstått. Dette er fordi det er ekstremt vanskelig å generere nøytronfluksene med svært høy tetthet som trengs for å lage nøytronrike isotoper i laboratoriet.

Et neste generasjons multi-petawatt lasersystem

Den gode nyheten er at laserdrevne (pulserende) nøytronkilder kan produsere de nødvendige nøytronstrålene. I tilnærmingen utviklet av Vojtěch Horný og kolleger på LULI, vil en slik laser først rette ultraintense lyspulser mot et fast mål. Dette vil føre til at hydrogenioner fra et forurensningslag på målets overflate akselererer til en betydelig brøkdel av lysets hastighet, forklarer Horný. Disse hydrogenionene vil deretter bli rettet til et sekundært mål laget av gull som vil fungere som både nøytronomformer og nøytronfangstmål.

"I motsetning til den tradisjonelle metoden som akselererer deuteroner [tunge hydrogenioner] for fusjonsreaksjoner i en omformer med lavt atomtall (for eksempel en laget av beryllium) for å frigjøre nøytroner, utnytter vår tilnærming en ny generasjon multi-petawatt lasersystem for å utløse en mer effektiv spallasjonsprosess i materialer med høyt atomtall,” forteller Horný Fysikkens verden. "Her treffer protoner akselerert til energier i hundrevis av megaelektronvolt (MeV) rekkevidde en tung kjerne og frigjør et høyere antall nøytroner."

Måter å øke nøytronproduksjonen på

Horný sier at målet med denne metoden, som er beskrevet i Fysisk gjennomgang C, er å øke nøytronproduksjonen betydelig. Ved å bruke numeriske simuleringer beregnet han og kollegene at for tiden tilgjengelige lasere ville produsere et ubetydelig antall nøytronrike isotoper (definert som de med minst to flere nøytroner enn den opprinnelige frøkjernen).

En god isotoptelling ville likevel vært mulig dersom nøytronene ble bremset ned til svært lave energier (20 millielektronvolt, tilsvarende temperaturen til fast hydrogen). Slike lave hastigheter vil øke nøytronenes sannsynlighet for å bli fanget. Laseren må også pulseres med en frekvens på 100 Hz i flere timer.

Alt dette er høye bestillinger, men Horný gir seg ikke. "Til tross for den nøkterne erkjennelsen at nåværende proton- og nøytronkilder utelukker observasjon på kort sikt av r-prosess via laserdrevne nøytronkilder, har arbeidet vårt lagt et viktig grunnlag, sier han. Det er også grunner til å være håpefulle om teknologiske fremskritt. Som et eksempel nevner Horný en pågående prosjekt ved Colorado State University i USA, hvor forskere bygger to 200 Joule, 100 femtosekunder, 100 Hz lasere. Dette prosjektet, sier han, "representerer et betydelig skritt fremover".

Den intense fluksen av nøytroner teamet beskrev kan ha andre bruksområder, legger Horný til. Disse inkluderer rekonstruering av et materiales elementære sammensetning ved hjelp av rask nøytronresonansradiografi; rask nøytronaktivering; og rask nøytronbehandling i medisin.

LULI-teamet forbereder seg nå på å fremstille sin foreslåtte laserkilde, med håp om å oppnå rekordstore nøytronparametere ved å bruke Apollon lasersystem. Horný har på sin side flyttet til Ekstrem lysinfrastruktur-kjernefysikk (ELI-NP) i Romania, hvor hans arbeid som forsker vil fokusere på å fremme elektron- og ioneakselerasjon, samt generere høyenergistråling fra laser-plasma-interaksjoner. Den nye rollen, sier han, innebærer å utforske ulike kilder til sekundære partikler, inkludert nøytroner.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden