科学家重现宇宙反应,解开天文之谜


SOLARIS的内部视图,加速器和探测器在后面。信贷阿贡国家实验室。

实验将使科学家们更深入地了解爆炸的恒星是如何创造出世界上最重的元素的。

构成我们宇宙的化学元素是如何形成的?近一个世纪以来,这个问题一直是核物理的核心。

在20世纪初,科学家们发现元素有一个核心。这些原子核由不同数量的质子和中子组成。

现在,密歇根州立大学稀有同位素束设施(FRIB)的科学家们已经建造并测试了一种设备,该设备将有助于深入研究重元素,即含有大量质子和中子的元素。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的物理学家本·凯(Ben Kay)领导了这项工作。FRIB是美国能源部科学用户设施办公室。

“爆炸的恒星,巨型坍缩恒星的合并,我们现在正在了解这些事件的核心核反应的细节。有了SOLARIS,我们就能在地球上重现那些反应,亲眼看到它们。”——本·凯,物理部

Kay和他的团队已经完成了他们的第一个实验,他们使用了一种叫做SOLARIS的装置,这是反应研究电磁光谱仪的缩写。计划中的实验将揭示有关核反应的信息,这些核反应产生了我们世界上一些最重的元素,从铁到铀。

还计划进行奇异同位素实验。同位素是具有相同数量的质子但有不同数量的中子的元素。科学家们把某些同位素称为奇异的,因为它们的质子与中子的比例不同于那些典型的稳定同位素或地球上自然存在的长寿同位素。其中一些不稳定的同位素在天文事件中扮演着重要的角色。

“爆炸的恒星,巨大的坍缩恒星的合并,我们现在正在了解这些事件的核心核反应的细节,”凯说。“有了SOLARIS,我们就能在地球上重现那些反应,亲眼看到它们。”

这个新装置是跟随在阿贡的HELIOS螺旋轨道光谱仪的脚步。两家公司都使用了类似于医院里使用的磁共振成像仪的超导磁体。在这两种实验中,一束粒子射向真空室中的目标材料。当粒子与目标碰撞时,就会发生转移反应。在这种反应中,中子或质子被从原子核中移除或添加,这取决于粒子及其在碰撞中使用的能量。

凯说:“通过记录从碰撞中释放或偏转的各种粒子的能量和角度,我们能够收集有关这些同位素中的原子核结构的信息。”“创新的SOLARIS设计提供了必要的解决方案,以增强我们对这些奇异核的理解。”

SOLARIS的独特之处在于它可以作为双模光谱仪使用,这意味着它可以用高强度或低强度光束进行测量。“SOLARIS可以在这两种模式下运行,”Kay解释道。“一种是在真空中使用传统的硅探测器阵列。另一种是使用密歇根州立大学的主动目标时间投射室的新型充气目标,由SOLARIS团队成员、FRIB高级物理学家Daniel Bazin领导。第一次实验测试了AT-TPC。”AT-TPC使科学家能够使用较弱的光束,但仍能以所需的高精度收集结果。

AT-TPC本质上是一个充满气体的大房间,它既是光束的目标,也是探测器的介质。这与传统的真空室不同,传统的真空室使用硅探测器阵列和一个单独的、薄的、固体靶。

凯说:“通过向容器中注入气体,你可以确保来自低强度光束的更少、更大的粒子将与目标材料接触。”这样,科学家们就可以研究这些碰撞产生的产物。

该团队的第一个实验由FRIB的研究助理Clementine Santamaria领导,研究了氧-16(地球上最常见的氧同位素)蜕变成更小的阿尔法粒子的过程。特别是,氧-16原子核中的8个质子和8个中子分解为4个阿尔法粒子,每个阿尔法粒子由2个质子和2个中子组成。

凯解释说:“通过确定氧-16是如何这样衰变的,可以将其与‘霍伊尔状态’进行比较。霍伊尔状态是一种碳同位素的激发态,我们认为它在恒星的碳生成中起着关键作用。”

在这个实验中,凯和他的团队记录了超过200万个反应事件,并观察了氧-16衰变成粒子的几个实例。

SOLARIS的双重功能将使核反应实验的范围比以前更广,并让科学家们对宇宙中一些最大的谜团有了新的见解。

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FRIB是美国能源部科学办公室核物理办公室的一个用户设施。

阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题的方法。作为美国第一个国家实验室,阿贡开展了几乎所有科学学科的前沿基础和应用科学研究。阿贡大学的研究人员与数百家公司、大学、联邦、州和市政机构的研究人员密切合作,帮助他们解决具体问题,提高美国的科学领导地位,为国家更美好的未来做好准备。阿贡大学的员工来自60多个国家,由芝加哥大学阿贡有限责任公司管理,隶属于美国能源部科学办公室。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,正在努力应对我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问https://energy.gov/science。

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