Физики из Университета Теннесси опубликовали три открытия в одном исследовании, объясняя ключевые детали процесса формирования тяжёлых элементов во Вселенной. Результаты могут помочь учёным разработать новые модели для описания звёздных процессов, которые дают нам тяжёлые элементы, а также улучшить прогнозы о расширяющемся ландшафте экзотических ядер.
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Создание элементов, таких как золото и платина
Элементы, подобные золоту и платине, создаются в экстремальных условиях, например, когда звёзды коллапсируют, взрываются или сталкиваются. В процессе быстрого захвата нейтронов (или r-процессе) ядро захватывает серию нейтронов в быстрой последовательности, пока не станет настолько тяжёлым, что распадётся на более лёгкие и стабильные ядра.
Путь r-процесса на карте нуклидов проходит через территорию, где основным способом распада является бета-распад родительского ядра с последующим излучением двух нейтронов.
Трудности изучения ядер
Ядра, участвующие в этом процессе, трудно (если не невозможно) изучать экспериментально, поэтому расчёты, описывающие их, в значительной степени опираются на модели, которые должны быть проверены в лаборатории.
Для получения более полной картины исследователи, включая аспирантов Университета Теннесси Питера Дизела и Джейкоба Гуджа, профессора Роберта Гживача, доцента Мигеля Мадурга и научного сотрудника Монику Пирсу-Силковскую, работали с учёными из других учреждений.
Эксперимент с индием-134
Используя методы анализа данных, разработанные доцентом Чжэнъюй Сюй, они начали с большого количества индия-134. «Эти ядра трудно получить, и для их синтеза в достаточных количествах требуется много новых технологий», — объяснил Гживач.
Станция распада ISOLDE в ЦЕРНе предоставила достаточное количество ядер индия-134, а также сложную технологию лазерного разделения, чтобы убедиться, что они чистые. Когда индий-134 распадается, он переходит в возбуждённые состояния олова-134, олова-133 и олова-132. Используя нейтронный детектор, построенный в UT, учёные сделали три важных открытия.
Важные открытия
Первое измерение энергии нейтронов для бета-замедленного двухнейтронного излучения. «Двухнейтронный выброс — это самое главное», — сказал Гживач. Двухнейтронный выброс происходит только в экзотических ядрах, которые являются короткоживущими и нестабильными. Энергия отделения двух нейтронов очень мала, но в этом эксперименте её было достаточно для измерения.
Первое наблюдение долгоискаемого одночастичного нейтронного состояния в олове-133. Гживач объяснил, что «олово находится в возбуждённом состоянии. (Оно) должно остыть. Оно может испустить нейтрон, или, при наличии достаточной энергии, оно может испустить два нейтрона. Оно должно всегда испускать два нейтрона, но не испускает».
Наблюдение нестатистического заселения этого вновь обнаруженного состояния. Гживач объяснил, что процесс распада относительно чист, поэтому всё разделено, и нет соседних состояний. «Вы не делаете суп из гороха пополам», — сказал он. «Тем не менее в большинстве случаев он ведёт себя как гороховый суп. Каким-то образом этот статистический механизм происходит. Почему он статистический, даже если не должен быть, и почему в нашем случае это не так?»
Результаты указывают на то, что по мере продвижения по ядерному ландшафту, дальше от стабильности и в область экзотических ядер, подобных теннессину, старые модели не работают, и нужны новые.
Возможности для аспирантов
Необходимость в новых моделях для объяснения происхождения и структуры ядер представляет огромные возможности для аспирантов, таких как Дизел. Он присоединился к группе Гживача в 2022 году и был первым автором статьи в Physical Review Letters, в которой изложены три открытия.
Его список дел для этого эксперимента был длинным: от конструирования физических элементов до интерпретации результатов. Он построил рамы для детекторов отслеживания нейтронов и собрал их в экспериментальной установке. Он настроил необходимую электронику и сделал бета-детекторы. Он провёл тестовые измерения, помог с программным обеспечением для сбора данных, сделал поправки для оптимального временного разрешения и проанализировал экспериментальные данные.
Успех этой работы частично обусловлен коллегами и соавторами, чьё руководство и конструктивный вклад имели решающее значение.
Предоставлено Университетом Теннесси в Ноксвилле.
published in the journal Physical Review Letters.»,»Elements like gold and platinum are created under extreme conditions, such as when stars collapse, explode, or collide. In the rapid neutron-capture process (or r-process for short), a nucleus captures a barrage of neutrons in quick succession until it becomes so heavy it decays into lighter, more stable nuclei.»,»As it crosses the nuclide chart, the r-process path winds through territory where the main decay mode is beta decay of the parent nucleus, followed by the emission of two neutrons.»,»The nuclei involved are difficult (if not impossible) to study experimentally, so the calculations describing them lean heavily on models that must be validated in the lab.»,»To get a better picture of how all this happens, researchers including UT Graduate Students Peter Dyszel and Jacob Gouge, Professor Robert Grzywacz, Associate Professor Miguel Madurga, and Research Associate Monika Piersa-Silkowska worked with a host of scientists from other institutions. Building on data analysis methods outlined by Research Assistant Professor Zhengyu Xu, they started with large amounts of indium-134.»,»\»These nuclei are hard to make and require a lot of new technology to synthesize in sufficient quantities,\» Grzywacz explained.»,»The ISOLDE Decay Station at CERN met the challenge by providing plenty of indium-134 nuclei, as well as sophisticated laser separation technology to make sure they were pristine. When indium-134 decays, it populates excited states in tin-134, tin-133, and tin-132. Using a neutron detector built at UT, scientists made three important discoveries. At the top of the list, they made the first measurement of neutron energies for beta-delayed two-neutron emission.»,»\»The two-neutron emission is the biggest deal,\» Grzywacz said.»,»Beta-delayed two-neutron emission occurs only in exotic nuclei, those that are short-lived and unstable. The two-neutron separation energy is very small, but in this experiment it was enough to be measured.»,»\»The reason this is hard is because neutrons like to bounce around. It’s hard to tell if it’s one or two,\» Grzywacz explained. In earlier attempts, \»no one measured energies,\» so this approach \»opens a completely new field,\» he said.»,»This is the first study detailing the two-neutron emission for a nucleus that follows the r-process path, opening the door for clearer models about how stellar events can create elements like gold.»,»A second discovery was the first observation of a long-sought single-particle neutron state in tin-133. Grzywacz explained that \»tin is in an excited state. (It) has to cool off. It can spit out a neutron, or with enough energy, it can spit out two neutrons. It should always spit two neutrons, but it doesn’t.\»»,»He said the traditional view is that tin \»boils off\» neutrons to cool down, becoming \»an amnesiac nucleus,\» with no memory of beta decay.»,»\»We say the tin doesn’t forget,\» Grzywacz said. \»This ‘shadow’ of indium doesn’t completely disappear. The memory is not erased.\»»,»In this experiment, state-of-the-art neutron detectors identified this elusive state, indicating that a better theoretical framework is needed to understand why sometimes one neutron is emitted and sometimes two are.»,»\»People were searching for it for 20 years and we found it,\» Grzywacz said. \»Those two neutrons allowed us to see this state.\»»,»He explained that this newly-observed state is an intermediate step in the two-neutron emission process. It’s also the last elementary excitation in the tin-133 nucleus, completing the picture and helping make calculations more accurate.»,»Better calculations and modeling are tied to the third discovery this research brought to light—the observation of the non-statistical population of this newly-observed state. Grzywacz explained that the decay process is relatively clean, so everything is separate with no neighboring states.»,»\»You’re not making split-pea soup,\» he said. \»Still, in most cases, it behaves like split-pea soup. Somehow this statistical mechanism happens. Why is it statistical, even though it shouldn’t be, and why, in our case, isn’t it?\»»,»The results indicate that as you travel across the nuclear landscape, farther from stability and into the realm of exotic nuclei like Tennessine, the old models don’t hold and new ones are needed.»,»The need for new models to explain nuclear origins and structure presents a tremendous opportunity for graduate students like Dyszel. He joined Grzywacz’s group in 2022 and was the first author on the Physical Review Letters paper outlining the three discoveries.»,»His to-do list for this experiment was a long one, from constructing physical pieces to interpreting the results. He built frames for the neutron tracking detectors and assembled them in the experimental setup. He set up the required electronics and made beta detectors. He ran test measurements, helped with software for data acquisition, made corrections for optimal timing resolution, and analyzed the experimental data. With all that, Dyszel’s work was still part of a multi-person effort.»,»\»The success of this work is due in part to my colleagues and collaborators, whose guidance and constructive input were crucial,\» he said.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Tennessee at Knoxville\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник