Liệu laser có thể tổng hợp các nguyên tố nặng được tạo ra trong các vụ sáp nhập sao neutron? – Thế giới vật lý

Liệu laser có thể tổng hợp các nguyên tố nặng được tạo ra trong các vụ sáp nhập sao neutron? – Thế giới vật lý

Dấu thời gian: Ngày 19 tháng 2024 năm 5 30:XNUMX sáng


Hình ảnh bên trong buồng mục tiêu tại Apollon cho thấy parabol lệch trục và một số chẩn đoán
Chiến dịch thử nghiệm về sự tạo neutron tại Apollon: Bên trong buồng mục tiêu hiển thị parabol lệch trục và một số chẩn đoán. (Được phép: Julien Fuchs)

Một quá trình vật lý thiên văn tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt có thể còn khó tái tạo trong phòng thí nghiệm hơn người ta tưởng trước đây – nhưng không phải là không thể. Đây là kết luận của các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) ở Pháp, họ báo cáo rằng các điều kiện tái tạo thường thấy trong các vụ sáp nhập sao neutron sẽ đòi hỏi những cải tiến lớn đối với cả nguồn proton và neutron. Họ nói rằng cái nhìn sâu sắc này rất quan trọng vì nó cung cấp một khuôn khổ thực tế hơn cho những nỗ lực trong tương lai nhằm tái tạo các quy trình xuất sắc.

Nhiều nguyên tố nặng hơn sắt hình thành thông qua cái gọi là r-quá trình, ở đâu r đề cập đến việc bắt giữ neutron nhanh chóng. Quá trình này xảy ra khi hai sao neutron hợp nhất, tạo ra lượng neutron tự do dồi dào. Trong những môi trường giàu neutron này, hạt nhân nguyên tử bắt giữ neutron nhanh hơn nhiều so với khả năng chúng có thể mất chúng thông qua phân rã beta (xảy ra khi một hạt nhân phát ra một electron hoặc positron giàu năng lượng, từ đó biến đổi một trong các neutron của nó thành proton).

Các nhà khoa học tin rằng r-quá trình là nguồn gốc của khoảng một nửa số nguyên tố nặng được tìm thấy trong vũ trụ ngày nay. Tuy nhiên, các điều kiện chính xác cần thiết để tạo điều kiện cho việc bắt neutron nhanh vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Điều này là do việc tạo ra dòng neutron mật độ rất cao cần thiết để tạo ra các đồng vị giàu neutron trong phòng thí nghiệm là cực kỳ khó khăn.

Hệ thống laser đa petawatt thế hệ tiếp theo

Tin tốt là các nguồn neutron điều khiển bằng laser (xung) có thể tạo ra các loại chùm neutron cần thiết. Trong cách tiếp cận được phát triển bởi Vojtěch Horný và các đồng nghiệp tại LULI, một tia laser như vậy trước tiên sẽ hướng các xung ánh sáng cực mạnh vào một mục tiêu rắn. Điều này sẽ khiến các ion hydro từ lớp chất gây ô nhiễm trên bề mặt mục tiêu tăng tốc đến một phần đáng kể tốc độ ánh sáng, Horný giải thích. Các ion hydro này sau đó sẽ được hướng tới mục tiêu thứ cấp làm bằng vàng, mục tiêu này sẽ đóng vai trò vừa là mục tiêu chuyển đổi neutron vừa là mục tiêu bắt neutron.

“Không giống như phương pháp truyền thống tăng tốc deuteron [ion hydro nặng] cho các phản ứng nhiệt hạch trong bộ chuyển đổi số nguyên tử thấp (ví dụ, bộ chuyển đổi được làm từ berili) để giải phóng neutron, phương pháp tiếp cận của chúng tôi tận dụng hệ thống laser nhiều petawatt thế hệ mới để kích hoạt quá trình phân tách hiệu quả hơn trong các vật liệu có số lượng nguyên tử cao,” Horný nói Thế giới vật lý. “Ở đây, các proton được gia tốc tới mức năng lượng ở mức hàng trăm megaelectronvolt (MeV) tấn công một hạt nhân nặng, giải phóng số lượng neutron cao hơn.”

Các cách để tăng cường sản xuất neutron

Horný nói rằng mục tiêu của phương pháp này được mô tả trong Đánh giá vật lý C, là để tăng cường đáng kể việc sản xuất neutron. Bằng cách sử dụng các mô phỏng số, ông và các cộng sự đã tính toán rằng các tia laser hiện có sẽ tạo ra một số lượng đồng vị giàu neutron không đáng kể (được định nghĩa là những đồng vị có nhiều hơn ít nhất hai neutron so với hạt nhân ban đầu).

Tuy nhiên, việc đếm đồng vị tốt vẫn có thể thực hiện được nếu neutron bị làm chậm lại đến mức năng lượng rất thấp (20 milielectronvolt, tương ứng với nhiệt độ của hydro rắn). Tốc độ chậm như vậy sẽ làm tăng khả năng bắt giữ neutron. Tia laser cũng cần được phát xung ở tần số 100 Hz trong vài giờ.

Đó đều là những mệnh lệnh cao cả nhưng Horný không bỏ cuộc. “Mặc dù nhận thức rõ ràng rằng các nguồn proton và neutron hiện tại ngăn cản việc quan sát trong thời gian ngắn về r-được xử lý thông qua các nguồn neutron điều khiển bằng laser, công trình của chúng tôi đã đặt nền móng quan trọng,” ông nói. Cũng có lý do để hy vọng về tiến bộ công nghệ. Ví dụ, Horný trích dẫn một dự án tại Đại học bang Colorado ở Mỹ, nơi các nhà nghiên cứu đang chế tạo hai tia laser 200 Joule, 100 femto giây, 100 Hz. Theo ông, dự án này “thể hiện một bước tiến đáng kể”.

Dòng neutron cực mạnh mà đội nghiên cứu mô tả có thể có những ứng dụng khác, Horný cho biết thêm. Chúng bao gồm việc tái tạo lại thành phần nguyên tố của vật liệu bằng phương pháp chụp X quang cộng hưởng neutron nhanh; kích hoạt neutron nhanh; và liệu pháp neutron nhanh trong y học.

Nhóm LULI hiện đang chuẩn bị chế tạo nguồn laser đề xuất của họ với hy vọng đạt được các thông số neutron phá kỷ lục bằng cách sử dụng Hệ thống laser Apollon. Về phần mình, Horný đã chuyển đến Cơ sở hạ tầng ánh sáng cực cao-Vật lý hạt nhân (ELI-NP) ở Romania, nơi công việc của ông với tư cách là nhà khoa học nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thúc đẩy gia tốc electron và ion, cũng như tạo ra bức xạ năng lượng cao từ các tương tác laser-plasma. Ông nói, vai trò mới liên quan đến việc khám phá nhiều nguồn hạt thứ cấp khác nhau, bao gồm cả neutron.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý