Чи можуть лазери синтезувати важкі елементи, що утворюються в результаті злиття нейтронних зірок? – Світ фізики

Чи можуть лазери синтезувати важкі елементи, що утворюються в результаті злиття нейтронних зірок? – Світ фізики

Мітка часу: 19 березня 2024 р., 5:30


Фото внутрішньої камери мішені в Аполлоні, на якому показано позаосьову параболу та деякі діагностичні дані
Експериментальна кампанія з генерації нейтронів на Аполлоні: внутрішня частина цільової камери показує позаосьову параболу та деякі діагностичні дані. (З дозволу: Жюльєн Фукс)

Астрофізичний процес, який створює елементи, важчі за залізо, може бути навіть складнішим для відтворення в лабораторії, ніж вважалося раніше, але це не неможливо. Це висновок дослідників з Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) у Франції, які повідомляють, що умови відтворення, які зазвичай спостерігаються під час злиття нейтронних зірок, потребуватимуть серйозних удосконалень джерел як протонів, так і нейтронів. Вони кажуть, що це розуміння має вирішальне значення, оскільки воно забезпечує більш реалістичну основу для майбутніх зусиль із відтворення зоряних процесів.

Багато елементів, важчих за залізо, утворюються через т.зв r-процес, де r відноситься до швидкого захоплення нейтронів. Цей процес відбувається, коли дві нейтронні зірки зливаються, створюючи велику кількість вільних нейтронів. У цих багатих нейтронами середовищах атомні ядра захоплюють нейтрони набагато швидше, ніж вони можуть втратити їх через бета-розпад (який відбувається, коли ядро ​​випускає енергійний електрон або позитрон, таким чином перетворюючи один зі своїх нейтронів на протон).

Вчені вважають, що r-процес є джерелом приблизно половини всіх важких елементів, знайдених сьогодні у Всесвіті. Однак точні умови, необхідні для сприяння швидкому захопленню нейтронів, до кінця не зрозумілі. Це пояснюється тим, що в лабораторії надзвичайно важко генерувати нейтронні потоки дуже високої щільності, необхідні для створення багатих нейтронами ізотопів.

Багатопетаватна лазерна система нового покоління

Хороша новина полягає в тому, що лазерні (імпульсні) джерела нейтронів можуть виробляти необхідні типи пучків нейтронів. У розробленому підході Войтех Горний та колеги по ЛУЛІ, такий лазер спочатку направляв би надінтенсивні імпульси світла на тверду ціль. Це призведе до того, що іони водню з шару забруднень на поверхні мішені прискоряться до значної частки швидкості світла, пояснює Горні. Потім ці іони водню будуть спрямовані на вторинну мішень із золота, яка слугуватиме як перетворювачем нейтронів, так і мішенню для захоплення нейтронів.

«На відміну від традиційного методу, який прискорює дейтрони [важкі іони водню] для реакцій термоядерного синтезу в конвертері з низьким атомним номером (наприклад, виготовленому з берилію) для вивільнення нейтронів, наш підхід використовує багатопетаватну лазерну систему нового покоління для запустити більш ефективний процес відколу в матеріалах з високим атомним числом», — розповідає Горні Світ фізики. «Тут протони, прискорені до енергій в діапазоні сотень мегаелектронвольт (МеВ), стикаються з важким ядром, вивільняючи більшу кількість нейтронів».

Способи посилення виробництва нейтронів

Горни каже, що мета цього методу, який описано в Фізичний огляд C, полягає в значному посиленні виробництва нейтронів. Використовуючи чисельне моделювання, він та його колеги підрахували, що доступні на даний момент лазери вироблятимуть незначну кількість нейтронно-збагачених ізотопів (що визначаються як ізотопи, що мають принаймні два нейтрони більше, ніж початкове зародкове ядро).

Проте хороший підрахунок ізотопів був би можливим, якби нейтрони були сповільнені до дуже низьких енергій (20 міліелектронвольт, що відповідає температурі твердого водню). Такі повільні швидкості підвищать ймовірність захоплення нейтронів. Лазер також повинен працювати імпульсами з частотою 100 Гц протягом декількох годин.

Це все високі замовлення, але Горні не здається. «Незважаючи на тверезе усвідомлення того, що поточні джерела протонів і нейтронів перешкоджають найближчому спостереженню r«Процес за допомогою лазерних джерел нейтронів, наша робота заклала важливу основу», — говорить він. Також є причини сподіватися на технічний прогрес. Як приклад Горний наводить триваючу проект в університеті штату Колорадо у США, де дослідники будують два лазери потужністю 200 Джоулів, 100 фемтосекунд, 100 Гц. Цей проект, за його словами, «являє собою значний крок вперед».

Інтенсивний потік нейтронів, який описала команда, може мати й інші застосування, додає Горні. Вони включають реконструкцію елементного складу матеріалу за допомогою резонансної радіографії на швидких нейтронах; активація швидких нейтронів; і терапія швидкими нейтронами в медицині.

Зараз команда LULI готується до виготовлення запропонованого ними лазерного джерела з надією досягти рекордних параметрів нейтронів за допомогою Лазерна система Аполлон. Horný, зі свого боку, переїхав до Екстремальна легка інфраструктура - ядерна фізика (ELI-NP) у Румунії, де його робота як наукового дослідника буде зосереджена на вдосконаленні прискорення електронів та іонів, а також на генеруванні високоенергетичного випромінювання від взаємодії лазера та плазми. Нова роль, за його словами, передбачає дослідження різних джерел вторинних частинок, включаючи нейтрони.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики