Kan lasrar syntetisera tunga grundämnen som produceras i neutronstjärnefusioner? – Fysikvärlden

Kan lasrar syntetisera tunga grundämnen som produceras i neutronstjärnefusioner? – Fysikvärlden

Tidsstämpel: 19 mars 2024 5:30


Foto på insidan av målkammaren vid Apollon som visar parabeln utanför axeln och lite diagnostik
Den experimentella kampanjen om neutrongenereringen vid Apollon: Insidan av målkammaren som visar parabeln utanför axeln och en del diagnostik. (Med tillstånd: Julien Fuchs)

En astrofysisk process som skapar grundämnen tyngre än järn kan vara ännu mer utmanande att reproducera i laboratoriet än man tidigare trott – men inte omöjligt. Detta är slutsatsen av forskare vid Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) i Frankrike, som rapporterar att reproduktionsförhållanden som vanligtvis ses under sammanslagningar av neutronstjärnor kommer att kräva stora förbättringar av både proton- och neutronkällor. Denna insikt är avgörande, säger de, eftersom den ger en mer realistisk ram för framtida ansträngningar att replikera stjärnprocesser.

Många tyngre-än-järn element bildas via den sk r-process, var r hänvisar till snabb neutroninfångning. Denna process inträffar när två neutronstjärnor går samman och skapar ett överflöd av fria neutroner. I dessa neutronrika miljöer fångar atomkärnor neutroner mycket snabbare än de kan förlora dem via beta-sönderfall (vilket inträffar när en kärna avger en energisk elektron eller positron och därigenom omvandlar en av dess neutroner till en proton).

Forskare tror att r-processen är källan till ungefär hälften av alla tunga grundämnen som finns i universum idag. De exakta förhållandena som krävs för att underlätta snabb neutroninfångning är dock inte helt klarlagda. Det beror på att det är extremt svårt att generera de neutronflöden med mycket hög densitet som behövs för att skapa neutronrika isotoper i laboratoriet.

Ett nästa generations multi-petawatt lasersystem

Den goda nyheten är att laserdrivna (pulsade) neutronkällor kan producera de typer av neutronstrålar som krävs. I det tillvägagångssätt som utvecklats av Vojtěch Horný och kollegor på Luli, skulle en sådan laser först rikta ultraintensiva ljuspulser mot ett fast mål. Detta skulle få vätejoner från ett föroreningsskikt på målets yta att accelerera till en betydande del av ljusets hastighet, förklarar Horný. Dessa vätejoner skulle sedan riktas till ett sekundärt mål tillverkat av guld som skulle fungera som både neutronomvandlare och neutronfångstmål.

"Till skillnad från den traditionella metoden som accelererar deuteroner [tunga vätejoner] för fusionsreaktioner i en omvandlare med lågt atomnummer (till exempel en gjord av beryllium) för att frigöra neutroner, använder vårt tillvägagångssätt en ny generation multi-petawatt lasersystem för att utlösa en mer effektiv spallationsprocess i material med högt atomnummer”, berättar Horný Fysikvärlden. "Här träffar protoner som accelererat till energier i hundratals megaelektronvolt (MeV) intervall en tung kärna och frigör ett högre antal neutroner."

Sätt att öka neutronproduktionen

Horný säger att målet med denna metod, som beskrivs i Fysisk granskning C, är att avsevärt förbättra neutronproduktionen. Med hjälp av numeriska simuleringar beräknade han och hans kollegor att för närvarande tillgängliga lasrar skulle producera ett försumbart antal neutronrika isotoper (definierade som de med minst två fler neutroner än den ursprungliga frökärnan).

Ett bra isotopräkning skulle dock ändå vara möjligt om neutronerna bromsades ner till mycket låga energier (20 millielektronvolt, motsvarande temperaturen för fast väte). Sådana låga hastigheter skulle öka neutronernas sannolikhet att fångas. Lasern skulle också behöva pulsas med en frekvens på 100 Hz under flera timmar.

Det är alla höga beställningar, men Horný ger inte upp. "Trots den nykterande insikten att nuvarande proton- och neutronkällor utesluter observationer på kort sikt av r-processen via laserdrivna neutronkällor har vårt arbete lagt en viktig grund, säger han. Det finns också skäl att vara hoppfull om tekniska framsteg. Som ett exempel nämner Horný en pågående projekt vid Colorado State University i USA, där forskare bygger två 200 Joule, 100 Femtosekunders, 100 Hz lasrar. Detta projekt, säger han, "representerar ett betydande steg framåt".

Det intensiva flödet av neutroner som teamet beskrev kan ha andra tillämpningar, tillägger Horný. Dessa inkluderar rekonstruering av ett material elementarsammansättning med hjälp av snabb neutronresonansradiografi; snabb neutronaktivering; och snabb neutronterapi inom medicin.

LULI-teamet förbereder sig nu för att tillverka sin föreslagna laserkälla, med hopp om att uppnå rekordstora neutronparametrar med hjälp av Apollon lasersystem. Horný å sin sida har flyttat till Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP) i Rumänien, där hans arbete som forskare kommer att fokusera på att främja elektron- och jonacceleration, samt att generera högenergistrålning från laser-plasma-interaktioner. Den nya rollen, säger han, innebär att utforska olika källor till sekundära partiklar, inklusive neutroner.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden