Могут ли лазеры синтезировать тяжелые элементы, образующиеся в результате слияния нейтронных звезд? – Мир физики

Астрофизический процесс, в результате которого создаются элементы тяжелее железа, может оказаться даже более сложной задачей для воспроизведения в лаборатории, чем считалось ранее, но не невозможным. К такому выводу пришли исследователи из Лаборатории использования интенсивных лазеров (LULI) во Франции, которые сообщают, что воспроизведение условий, обычно наблюдаемых во время слияний нейтронных звезд, потребует серьезных усовершенствований как источников протонов, так и нейтронов. По их словам, это понимание имеет решающее значение, поскольку оно обеспечивает более реалистичную основу для будущих усилий по воспроизведению звездных процессов.

Многие элементы тяжелее железа образуются через так называемые r-процесс, где r относится к быстрому захвату нейтронов. Этот процесс происходит, когда две нейтронные звезды сливаются, создавая множество свободных нейтронов. В этих богатых нейтронами средах атомные ядра захватывают нейтроны гораздо быстрее, чем теряют их в результате бета-распада (который происходит, когда ядро ​​испускает энергичный электрон или позитрон, превращая тем самым один из своих нейтронов в протон).

Ученые считают, что r-процесс является источником около половины всех тяжелых элементов, обнаруженных сегодня во Вселенной. Однако точные условия, необходимые для облегчения быстрого захвата нейтронов, до конца не изучены. Это связано с тем, что чрезвычайно сложно генерировать нейтронные потоки очень высокой плотности, необходимые для создания богатых нейтронами изотопов в лаборатории.

Лазерная система нового поколения мощностью в несколько петаватт

Хорошей новостью является то, что лазерные (импульсные) источники нейтронов могут производить необходимые типы нейтронных пучков. В подходе, разработанном Войтех Горный и коллеги по Lüli, такой лазер сначала направит сверхинтенсивные световые импульсы на твердую цель. По словам Хорни, это приведет к тому, что ионы водорода из слоя загрязнения на поверхности мишени ускорятся до значительной части скорости света. Эти ионы водорода затем будут направлены на вторичную мишень из золота, которая будет служить как преобразователем нейтронов, так и мишенью для захвата нейтронов.

«В отличие от традиционного метода, который ускоряет дейтроны [тяжелые ионы водорода] для реакций синтеза в преобразователе с низким атомным номером (например, сделанном из бериллия) для высвобождения нейтронов, наш подход использует мультипетаваттную лазерную систему нового поколения для запускают более эффективный процесс расщепления в материалах с высоким атомным номером», — говорит Хорни. Мир физики. «Здесь протоны, ускоренные до энергий в сотни мегаэлектронвольт (МэВ), ударяются о тяжелое ядро, высвобождая большее количество нейтронов».

Способы увеличения производства нейтронов

Горни говорит, что цель этого метода, описанного в Физический обзор C, заключается в значительном увеличении производства нейтронов. Используя численное моделирование, он и его коллеги подсчитали, что доступные в настоящее время лазеры будут производить незначительное количество изотопов, богатых нейтронами (определяемых как те, которые содержат как минимум на два нейтрона больше, чем исходное затравочное ядро).

Однако хороший подсчет изотопов, тем не менее, был бы возможен, если бы нейтроны замедлялись до очень низких энергий (20 миллиэлектронвольт, что соответствует температуре твердого водорода). Такие низкие скорости повысят вероятность захвата нейтронов. Лазер также должен будет работать в импульсном режиме с частотой 100 Гц в течение нескольких часов.

Это все трудные задачи, но Хорни не сдается. «Несмотря на отрезвляющее осознание того, что нынешние источники протонов и нейтронов исключают возможность краткосрочного наблюдения за r-процесс с помощью лазерных источников нейтронов, наша работа заложила важную основу», — говорит он. Есть также основания надеяться на технологический прогресс. В качестве примера Горни приводит продолжающееся проект в Университете штата Колорадо в США, где исследователи создают два лазера с энергией 200 Джоулей, 100 фемтосекунд, частотой 100 Гц. Этот проект, по его словам, «представляет собой значительный шаг вперед».

Интенсивный поток нейтронов, описанный командой, может иметь и другие применения, добавляет Хорни. К ним относятся реконструкция элементного состава материала с использованием резонансной радиографии на быстрых нейтронах; активация быстрыми нейтронами; и терапия быстрыми нейтронами в медицине.

В настоящее время команда LULI готовится изготовить предлагаемый ими лазерный источник в надежде достичь рекордных параметров нейтронов с помощью Лазерная система Аполлон. Горни, в свою очередь, переехал в Экстремальная легкая инфраструктура-ядерная физика (ELI-NP) в Румынии, где его работа в качестве ученого-исследователя будет сосредоточена на развитии ускорения электронов и ионов, а также генерации высокоэнергетического излучения в результате взаимодействия лазера и плазмы. Новая роль, по его словам, предполагает изучение различных источников вторичных частиц, включая нейтроны.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/could-lasers-synthesize-heavy-elements-produced-in-neutron-star-mergers/