Znajdź zawartość

Dzięki badaniom przeprowadzonym w ISIS, brytyjskim źródle neutronów i mionów, naukowcy mogli określić stan... gospodarki Imperium Rzymskiego za rządów trzech cesarzy. Niedestrukcyjnym badaniom poddano trzy monety, wybite za czasów Tyberiusza (cesarz w latach 14–37), Hadriana (117–138) i Juliana II (361–363). Gdy bowiem w grę wchodzą cenne zabytki, naukowcy prowadzą badania metodami niedestrukcyjnymi. Oznacza to np. że z zabytku nie można pobrać próbek. A to z kolei znacznie ogranicza możliwości badawcze. Na szczęście obecnie w sukurs przychodzą takie narzędzia jak ISIS. Naukowcy z University of Oxford i University of Warwick postanowili sprawdzić skład wspomnianych monet. Sprawdzenie, czy ich powierzchnia nie została sztucznie wzbogacona lub czy do metali bardziej szlachetnych nie dodano zbyt dużo tańszych metali może wiele powiedzieć o społeczeństwie i stanie gospodarki z czasów, gdy monety wybito. Już wcześniej było wiadomo, że powierzchnia monet to w dużej mierze czyste złoto. Jednak badania takie ograniczały się do ułamków milimetra grubości monety. Istniało więc uzasadnione podejrzenie „a co, jeśli?”. Wiemy, że Rzymianie celowo wzbogacali powierzchnię swoich srebrnych monet, by ukryć fakt, że wewnątrz są one pełne miedzi. Mieliśmy więc pełne podstawy, by uważać, że coś podobnego mogli robić ze złotymi monetami. Dzięki ISIS mogliśmy dotrzeć do samego środka monet w sposób całkowicie niedestrukcyjny. Przekonaliśmy się, że wysoki odsetek czystego złota, z jakim mamy do czynienia na powierzchni monet, pozostaje stały na całej grubości monety, mówi główny autor badań, doktor George Green z University of Oxford. Z jednej strony to potwierdzenie dobrego stanu rzymskiej gospodarki z czasów wybicia monet. Z drugiej zaś, jak zapewnia Green, upewnienie się, że w przypadku rzymskich złotych monet, to, co widać na powierzchni, znajduje się też we wnętrzu. Spektroskopia z użyciem mionów ma i tę zaletę, że nie wymaga wcześniejszego oczyszczenia badanego obiektu, co pozwala na zmniejszenie kosztów, zaoszczędzenie czasu oraz – często – uchronienie zabytku, który może prowadzić do jego uszkodzenia. Dlatego też technika taka jest szczególnie użyteczna przy badaniu np. obiektów wydobytych z wraków. Metoda ta polega na wystrzeleniu strumienia mionów w kierunku badanego obiektu. Są one przechwytywane przez atomy w monetach, w wyniku czego dochodzi do emisji promieniowania unikatowego dla pierwiastków, z których ono pochodzi. Uzyskane wyniki pokazują, jak wielki potencjał drzemie w tej metodzie badawczej. To technika niedestrukcyjna, która pozwala na zajrzenie pod powierzchnię zabytków. Nie wymaga ona specjalnego przygotowania próbki i nie powoduje, że badany obiekt staje się radioaktywny. Jest zatem idealnym narzędziem do badań zabytków. Pozwala ona nie tylko sprawdzić skład monet pod ich powierzchnią, ale określić m.in. głębokość korozji, zidentyfikować unikatowe zmiany składu chemicznego związane z konkretnym procesem produkcyjnym, czy też przekonać się, czy nie mamy do czynienia z fałszywką, dodaje doktor Adrian Hillier, odpowiedzialny w ISIS za badania z użyciem mionów. « powrót do artykułu

Fizycy z Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF – Jefferson Lab) zmierzyli z niezwykłą dokładnością grubość neutronowej „skórki” tworzącej otoczkę jądra ołowiu. Na łamach Physical Review Letters poinformowali, że grubość ta wynosi 0,28 milionowych części nanometra. A ich pomiary mają duże znaczenie dla określenia struktury i rozmiarów... gwiazd neutronowych. Jądro każdego pierwiastka składa się z protonów i neutronów. To m.in. one określają właściwości pierwiastków i pozwalają nam je od siebie odróżnić. Fizycy od dawna badają jądra atomowe, by dowiedzieć się, w jaki sposób protony i neutrony oddziałują ze sobą. W Jefferson Lab prowadzony jest Lead Radius Experiment (PREx), którego celem jest dokładne zbadanie rozkładu protonów i neutronów w jądrze ołowiu. Pytanie brzmi, gdzie w jądrze znajdują się neutrony. Ołów to ciężki pierwiastek. Posiada dodatkowe neutrony. Jeśli jednak bierzemy pod uwagę wyłącznie oddziaływanie sił jądrowych, które wiążą protony i neutrony w jądrze, to lepiej sprawdza się model, w którym jądro ołowiu posiada równą liczbę protonów i neutronów, mówi profesor Kent Paschke z University of Virginia, rzecznik prasowy PREx. W lekkich jądrach, zawierających niewiele protonów, zwykle rzeczywiście liczba protonów i neutronów jest równa. Jednak im cięższe jądro, tym potrzebuje więcej neutronów niż protonów, by pozostać stabilnym. Wszystkie stabilne jądra pierwiastków, które zawierają ponad 20 protonów, mają więcej neutronów niż protonów. Ołów zaś to najcięższy pierwiastek o stabilnych izotopach. Jego jądro zawiera 82 protony i 126 neutronów. A do zrozumienia, jak to wszystko trzyma się razem, musimy wiedzieć, w jaki sposób w jądrze rozłożone są dodatkowe neutrony. Protony w jądrze ołowiu ułożone są w kształt sfery. Neutrony tworzą większą sferę otaczającą mniejszą. Tę większą sferę nazwaliśmy skórką neutronową, wyjaśnia Paschke. Tę skórkę po raz pierwszy zauważono właśnie w Jefferson Lab w 2012 roku. Od tamtej pory naukowcy starają się mierzyć jej grubość z coraz większą precyzją. Neutrony trudno jest badać, gdyż wiele narzędzi, które mają do dyspozycji fizycy, rejestruje oddziaływania elektromagnetyczne, które są jednymi z czterech podstawowych sił natury. Eksperyment PREx do pomiarów wykorzystuje inną z podstawowych sił – oddziaływania słabe. Protony posiadają ładunek elektryczny, który możemy badań za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, ale – w porównaniu z protonami – generują potężne oddziaływania słabe. Jeśli więc jesteś w stanie to wykorzystać, możesz określić, gdzie znajdują się neutrony, dodaje Paschke. Autorzy nowych badań wykorzystali precyzyjnie kontrolowany strumień elektronów, który został wystrzelony w stronę cienkiej warstwy ołowiu schłodzonej do temperatur kriogenicznych. Elektrony obracały się w kierunku ruchu wiązki i wchodziły w interakcje z protonami i neutronami w atomach ołowiu. Oddziaływania elektromagnetyczne zachowują symetrię odbicia, a oddziaływania słabe nie. to oznacza, że elektron, który wchodzi w interakcję za pomocą sił elektromagnetycznych, robi to niezależnie od kierunku swojego spinu. Natomiast jeśli chodzi o interakcje za pomocą oddziaływań słabych, to widoczna jest tutaj wyraźna preferencja jednego kierunku spinu. Możemy więc wykorzystać tę asymetrię do badania siły oddziaływań, a to pozwala nam określić obszar zajmowany przez neutrony. Zdradza nam zatem, gdzie w odniesieniu do protonów, znajdują się neutrony, mówi profesor Krishna Kumar z University of Massachusetts Amherst. Przeprowadzenie eksperymentów wymagało dużej precyzji. Dość wspomnieć, że kierunek spinu elektronów w strumieniu był zmieniany 240 razy na sekundę, a elektrony, zanim dotarły do badanej próbki ołowiu, odbywały ponad kilometrową podróż przez akcelerator. Badacze znali relatywną pozycję względem siebie strumieni elektronów o różnych spinach z dokładnością do szerokości 10 atomów. Dzięki tak wielkiej precyzji naukowcy stwierdzili, że średnica sfery tworzonej przez protony wynosi około 5,5 femtometrów. A sfera neutronów jest nieco większa, ma około 5,8 femtometrów. Skórka neutronowa ma więc 0,28 femtometra grubości. To około 0,28 milionowych części nanometra, informuje Paschke. Jak jednak te pomiary przekładają się na naszą wiedzę o gwiazdach neutronowych? Wyniki uzyskane w Jefferson Lab wskazują, że skórka neutronowa jest grubsza, niż sugerowały niektóre teorie. To zaś oznacza, że do ściśnięcia jądra potrzebne jest większe ciśnienie niż sądzono, zatem samo jądro jest nieco mniej gęste. A jako, że nie możemy bezpośrednio badać wnętrza gwiazd neutronowych, musimy opierać się na obliczeniach, do których używamy znanych właściwości składowych tych gwiazd. Nowe odkrycie ma też znaczenie dla danych z wykrywaczy fal grawitacyjnych. Krążące wokół siebie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne, wykrywane przez LIGO. Gdy już są bardzo blisko, w ostatnim ułamku sekundy oddziaływanie jednej gwiazdy powoduje, że druga staje się owalna. Jeśli skórka neutronowa jest większa, gwiazda przybierze inny kształt niż wówczas, gdy skórka ta jest mniejsza. A LIGO potrafi zmierzyć ten kształt. LIGO i PREx badają całkowicie różne rzeczy, ale łączy je podstawowe równanie – równanie stanu materii jądrowej. « powrót do artykułu

We wnętrzu każdego protonu bądź neutronu znajdują się trzy kwarki związane gluonami. Dotychczas często zakładano, że dwa z nich tworzą trwałą parę: dikwark. Teraz wydaje się jednak, że żywot dikwarków w fizyce dobiega końca. To jeden z wniosków płynących z nowego modelu zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi, w którym uwzględniono oddziaływania gluonów z morzem wirtualnych kwarków i antykwarków. W fizyce pojawienie się nowego modelu teoretycznego nierzadko oznacza kłopoty dla starych koncepcji. Nie inaczej jest w przypadku opisu zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi, zaproponowanego przez naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. W najnowszym modelu niebagatelną rolę odgrywają interakcje gluonów emitowanych przez jeden proton z morzem wirtualnych kwarków i antykwarków, pojawiających się i znikających wewnątrz drugiego protonu bądź neutronu. Gluony są nośnikami oddziaływania silnego, jednego z czterech fundamentalnych oddziaływań przyrody. Wiąże ono kwarki w zlepki, na przykład w protony i neutrony. Pod wieloma względami oddziaływanie silne różni się od pozostałych. Na przykład nie słabnie ono, lecz rośnie wraz z odległością między cząstkami. Co więcej, w przeciwieństwie do fotonów gluony przenoszą pewien ładunek (malowniczo nazywany kolorem) i mogą oddziaływać między sobą. Dominująca część reakcji jądrowych – w tym większość zderzeń protonów z protonami bądź jądrami atomowymi – to procesy, w których cząstki jedynie się „muskają” wymieniając gluony. Zderzenia tego typu są nazywane przez fizyków miękkimi i sprawiają im niemały kłopot, gdyż opisująca je teoria nie jest policzalna z zasad pierwszych. Z konieczności wszystkie dzisiejsze modele procesów miękkich są więc mniej lub bardziej fenomenologiczne. Sami początkowo chcieliśmy tylko sprawdzić, jak dotychczasowe narzędzie, znane jako Dualny Model Partonów, radzi sobie z bardziej precyzyjnymi danymi eksperymentalnymi dotyczącymi zderzeń protonu z protonem oraz protonu z jądrem węgla, wspomina prof. dr hab. Marek Jeżabek (IFJ PAN). Błyskawicznie się okazało, że nie idzie mu najlepiej. Postanowiliśmy więc na bazie starego modelu, rozwijanego od ponad czterech dekad, spróbować stworzyć coś z jednej strony dokładniejszego, z drugiej bliższego naturze opisywanych zjawisk. Zbudowany w IFJ PAN Model Wymiany Gluonów (Gluon Exchange Model, GEM) także ma charakter fenomenologiczny. Bazuje jednak nie na analogiach do innych zjawisk fizycznych, lecz opiera się bezpośrednio na istnieniu kwarków i gluonów oraz na ich fundamentalnych własnościach. Co więcej, GEM bierze pod uwagę istnienie w protonach i neutronach nie tylko trójek kwarków głównych (walencyjnych), ale także morza ciągle powstających i anihilujących par wirtualnych kwarków i antykwarków. Ponadto uwzględniono w nim ograniczenia wynikające z zasady zachowania liczby barionowej. W uproszczeniu mówi ona, że liczba barionów (czyli m.in. protonów i neutronów) istniejących przed i po zakończeniu oddziaływania musi pozostać niezmieniona. Ponieważ każdy z kwarków przenosi liczbę barionową (równą 1/3), zasada ta pozwala lepiej wnioskować, co się dzieje z kwarkami i wymienianymi między nimi gluonami. GEM pozwolił nam zbadać nowe scenariusze przebiegu zdarzeń z udziałem protonów i neutronów, podkreśla dr hab. Andrzej Rybicki (IFJ PAN) i przechodzi do szczegółów: Wyobraźmy sobie na przykład, że w trakcie miękkiego zderzenia proton-proton jeden z nich emituje gluon, który trafia w drugi, lecz nie w jego kwark walencyjny, a w jakiś przez ułamek chwili istniejący kwark z wirtualnego morza. Gdy taki gluon zostanie zaabsorbowany, tworzące parę kwark morski i antykwark morski przestają być wirtualne i się materializują w inne cząstki w pewnych stanach końcowych. Zwróćmy uwagę, że w tym scenariuszu nowe cząstki powstają mimo faktu, że kwarki walencyjne jednego z protonów pozostały nietknięte. Krakowski model gluonowy prowadzi do ciekawych spostrzeżeń, z których dwa są szczególnie godne uwagi. Pierwsze dotyczy pochodzenia protonów dyfrakcyjnych, obserwowanych w zderzeniach protonów. Są to szybkie protony, które wybiegają z miejsca kolizji pod niewielkimi kątami. Dotychczas sądzono, że nie mogą się one produkować w procesach związanych z wymianą koloru i że za ich powstawanie odpowiada inny mechanizm fizyczny. Teraz się okazuje, że obecność protonów dyfrakcyjnych można doskonale wytłumaczyć właśnie oddziaływaniem gluonu wyemitowanego przez jeden proton z kwarkami morskimi drugiego protonu. Nie mniej ciekawe jest kolejne spostrzeżenie. Wcześniej przy opisie zderzeń miękkich przyjmowano, że dwa spośród trzech kwarków walencyjnych protonu czy neutronu są ze sobą związane tak trwale, że tworzą „molekułę” nazywaną dikwarkiem. Istnienie dikwarku było hipotezą, za którą nie wszyscy fizycy oddaliby bezkrytycznie głowę, niemniej koncept był szeroko stosowany – co teraz zapewne się zmieni. Model GEM skonfrontowano bowiem z danymi eksperymentalnymi opisującymi sytuację, w której proton zderza się z jądrem węgla oddziałując po drodze z dwoma lub więcej proto¬nami/neutronami. Okazało się, że aby pozostać w zgodzie z pomiarami, w ramach nowego modelu w przynajmniej połowie przypadków trzeba założyć dezintegrację dikwarku. Wiele zatem wskazuje, że dikwark w protonie czy neutronie nie jest obiektem mocno związanym. W szczególności może być tak, że dikwark istnieje tylko efektywnie, jako przypadkowa konfiguracja dwóch kwarków tworzących tak zwany kolorowy antytryplet – i gdy tylko może, natychmiast się rozlatuje, mówi dr Rybicki. Krakowski model wymiany gluonów – „nasz klejnot”, jak mówią z przymrużeniem oka obaj autorzy wykorzystując grę słów w języku angielskim (wyraz „gem” można bowiem tłumaczyć jako „klejnot” bądź „cacko”) – w prostszy i bardziej spójny sposób wyjaśnia szerszą klasę zjawisk niż dotychczasowe narzędzia opisu zderzeń miękkich. Obecne wyniki, zaprezentowane w artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Physics Letters B”, mają ciekawe implikacje dla zjawisk anihilacji materii z antymaterią, w których mogłoby dochodzić do anihilacji antyprotonu na więcej niż jednym protonie/neutronie w jądrze atomowym. Dlatego autorzy przedstawili już pierwsze, wstępne propozycje dotyczące przeprowadzenia nowych pomiarów w CERN z użyciem wiązki antyprotonów. « powrót do artykułu

Od kilku dni na terenie jedynego w Polsce głębokowodnego terminala kontenerowego w Gdańsku (DCT-Gdańsk) odbywają się testy kompleksowego systemu wykrywania ładunków niebezpiecznych i nielegalnych opracowywanego w ramach projektu C-BORD finansowanego z programu Horyzont 2020 Unii Europejskiej. Celem projektu jest wykorzystanie i maksymalne zintegrowanie dostępnych obecnie metod nieinwazyjnej inspekcji ładunków kontenerowych. Połączenie wielu metod umożliwi prowadzenie dokładniejszych kontroli, a jednocześnie mniej uciążliwych dla przewoźników i firm prowadzących międzynarodowy handel. W projekcie, którego pełna nazwa brzmi „effective Container inspection at BORDer control points” (Efektywna Kontrola Kontenerów na Punktach Kontroli Granicznej) uczestniczy 18 partnerów z 7 krajów UE. Wsród nich jest dziewięciu dostawców technologii (w tym Narodowe Centrum Badań Jądrowych), czterech potencjalnych odbiorców i użytkowników (w tym polska Krajowa Administracja Skarbowa, czyli nasze służby celne) oraz pięć podmiotów eksperckich, w tym Komisja Europejska. Naukowcy, przedsiębiorcy i funkcjonariusze celni pracujący nad projektem chcą, by do kontroli mogło być wykorzystane pięć niezależnych technik inspekcyjnych. Najbardziej znane i najczęściej w tej chwili wykorzystywane jest tradycyjne prześwietlanie ładunków promieniami X, do czego wykorzystuje się mobilne akceleratory. Standardowo bada się też radioaktywność towarów, a służą do tego specjalne bramki detekcyjne, wyposażone w zaawansowane oprogramowanie pozwalające zidentyfikować pierwiastki promieniotwórcze w zawartości kontenera. Istnieje też metoda, którą obrazowo można nazwać elektronicznym psem: urządzenie „wącha” próbki powietrza pobranego z zamkniętego kontenera co pozwala na wykrycie tytoniu, substancji odurzających oraz wybuchowych. Metody inspekcji kontenerów morskich, jak na razie, ograniczają się do prześwietlania za pomocą promieniowania X o jednej energii, z użyciem stacjonarnych lub mobilnych skanerów RTG – wyjaśnia dr Agnieszka Syntfeld-Każuch, kierująca zadaniami realizowanymi w NCBJ. Producent urządzenia dostarcza, co prawda, zaawansowane oprogramowanie do wizualizacji wnętrza kontenera, ale to przede wszystkim czujne oko operatora jest w stanie zauważyć nieprawidłowości w otrzymanym obrazie w trakcie prześwietlania ładunku. Dlatego zdecydowaliśmy się na wykorzystanie kilku technik badań nieinwazyjnych, które będą uzupełniały badanie skanerami RTG i wspomogą operatora w podejmowaniu ostatecznej decyzji w sytuacji, gdy istnieje podejrzenie niezgodności z deklaracją przewozową. Żadna z pięciu technologii wykorzystywanych w projekcie C-BORD nie wymaga otwierania ładunku. Dwie najbardziej nowatorskie z nich bazują na zjawiskach aktywacji materiałów neutronami oraz aktywacji promieniowaniem X o wysokiej energii co nazywane jest fotorozszczepieniem. Zarówno neutrony jak i kwanty gamma o dużej energii z łatwością wnikają do wnętrza kontenera i ewentualnych znajdujących się wewnątrz opakowań. Oddziałując z pojedynczymi jądrami atomowymi materiału stanowiącego ładunek, zmuszają je do odpowiedzi w postaci promieniowania, które może być zarejestrowane i natychmiast przeanalizowane na zewnątrz. Odpowiedź jądra każdego z izotopów każdego z pierwiastków z tablicy Mendelejewa jest trochę inna i dzięki temu można dość dokładnie określić, co znajduje się, a co nie znajduje się w środku. Jeśli ta odpowiedź nie zgadza się z deklaracją przewozową, to może to oznaczać kłopoty dla przewoźnika. Wyzwaniem dla naukowców jest przygotowanie urządzeń, które szybko, wygodnie i w zrozumiały sposób dostarczą kontrolerom potrzebnych informacji. Wymaga to skoordynowania działań różnych części systemu i zebrania informacji w jednym miejscu. Wymaga też zastosowania systemów inteligentnych, które uczyłyby się odpowiedniego interpretowania zebranych informacji na podstawie przebiegów kontroli wzorcowych i później, na podstawie codziennej praktyki. Odbywające się testy w Gdańsku polegają m.in. na sprawdzeniu skuteczności kontroli specjalnie przygotowanych ładunków. Podobne testy odbywały się w maju na granicy węgiersko-serbskiej, a kolejne przewidziane są we wrześniu w porcie w Rotterdamie. NCBJ przygotowało w ramach projektu specjalnie zaprojektowane i wykonane detektory do badania fotorozszczepienia, układy mechaniczne niezbędne do sprawnego działania pomiarów przy aktywacji neutronowej, a także koordynuje testy w Gdańsku. Nasz układ mechaniczny ma pozycjonować z dużą precyzją system neutronowy wraz z osłonami i detektorami – opisuje dr Paweł Sibczyński z Zakładu Elektroniki i Systemów Detekcyjnych NCBJ. System neutronowy jest wyjątkowo ciężki, a jednocześnie musi być pozycjonowany na całej wysokości kontenera. Musi być także odporny na trudne warunki atmosferyczne. Metodą neutronową można wykrywać m.in. przemyt tytoniu, narkotyków i materiałów wybuchowych. System neutronowy będzie drugą linią inspekcji, w przypadku, gdy obraz uzyskany ze skanera RTG nie da jednoznacznej odpowiedzi, czy w danym miejscu kontenera znajduje się nielegalnie transportowany towar. Naukowcy już przygotowują się do wrześniowej, ostatniej fazy testów. Po raz pierwszy w historii przeprowadzone zostaną testy detekcji materiałów jądrowych z wykorzystaniem zjawiska fotorozszczepienia zorganizowane na rzeczywistym stanowisku służącym do prześwietleń wysokoenergetycznych w porcie Maasvlakte w Rotterdamie – wyjaśnia dr Sibczyński. W procesie fotorozszczepienia wzbudzone jądra materiału rozszczepialnego rozpadają się na mniejsze fragmenty, emitując charakterystyczne promieniowanie gamma i neutrony – zarówno natychmiastowe, jak i opóźnione. Ta metoda inspekcji pozwala na wykrycie materiałów jądrowych, nawet jeśli zostały one osłonięte materiałami osłonowymi. Dr Paweł Sibczyński jest współtwórcą systemu do detekcji materiałów rozszczepialnych bazującego na rejestracji neutronów natychmiastowych oraz opóźnionego promieniowania gamma. System został opracowany w NCBJ w ramach zadania wykonywanego w projekcie. Wartość projektu C-BORD wynosi prawie 12 milionów euro. Jego koordynatorem jest Komisariat Energii Atomowej i Energii Alternatywnych z Francji. « powrót do artykułu