Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Jedną z największych tajemnic fizyki jądrowej jest odpowiedź na pytanie, dlaczego wszechświat jest zbudowany z takich a nie innych pierwiastków. Dlaczego nie z innych? Naukowców szczególnie interesują procesy fizyczne stojące u podstaw powstania ciężkich pierwiastków, jak złoto, platyna czy uran. Obecnie uważa się, że powstają one podczas łączenia się gwiazd neutronowych oraz eksplozji gwiazd.

W Argonne National Laboratory opracowano nowe techniki badania natury i pochodzenia ciężkich pierwiastków, a uczeni z Argonne stanęli na czele międzynarodowej grupy badawczej, która prowadzi w CERN eksperymenty mające dać nam wgląd w procesy powstawania egzotycznych jąder i opracowani modeli tego, co dzieje się w gwiazdach i wydarzeń we wczesnym wszechświecie.

Nie możemy sięgnąć do wnętrza supernowych, więc musimy stworzyć na Ziemi ekstremalne warunki, jakie w nich panują i badać reakcje, jakie tam zachodzą, stwierdził fizyk Ben Kay z Argonne National Laboratory i główny autor najnowszych badań.

Uczonym biorącym udział w projekcie udało się – jako pierwszym w historii – zaobserwować strukturę jądra o mniejszej liczbie protonów niż w jądrze ołowiu i o liczbie neutronów przekraczających 126. To jedna z liczb magicznych fizyki jądrowej. Liczba magiczne dla protonów i neutronów wynoszą m.in. 8, 20, 28, 50 i 126. To wartości kanoniczne. Fizycy wiedzą, że jądra atomów o takich wartościach charakteryzują się zwiększoną stabilnością. Jądra o liczbie neutronów powyżej 126 są słabo zbadane, gdyż trudno je uzyskać. Wiedza o ich zachowaniu jest kluczowa dla zrozumienia procesu wychwytu neutronu (proces r), w wyniku którego powstaje wiele ciężkich pierwiastków.

Obecnie obowiązujące teorie przewidują, że proces r zachodzi w gwiazdach. W tych bogatych w neutrony środowiskach jądra atomowe mogą rosnąć wychwytując neutrony i tworząc cięższe pierwiastki. Proces ten jest na tyle szybki, że nowe cięższe pierwiastki tworzą się zanim jeszcze dojdzie do rozpadu.

Twórcy eksperymentu skupili się na izotopie rtęci 207Hg. Jego badanie może bowiem rzucić światło na ich bezpośrednich sąsiadów, jądra bezpośrednio zaangażowane w proces r. Naukowcy najpierw wykorzystali infrastrukturę HIE-ISOLDE w CERN. Wysokoenergetyczny strumień protonów skierowali na roztopiony ołów. W wyniku kolizji powstały setki egzotycznych radioaktywnych izotopów. Odseparowali z nich 206Hg i w akceleratorze HIE-ISOLDE wytworzyli strumień jąder o najwyższej osiągniętej tam energii. Strumień skierowali na deuter znajdujący się w ISOLDE Solenoidal Spectrometer.

Żadne inne urządzenie na świecie nie jest w stanie wytworzyć strumienia jąder rtęci o tej masie i nadać mu takiej energii. To w połączeniu z wyjątkową rozdzielczością ISS pozwolió nam na przeprowadzenie pierwszych w historii obserwacji stanów wzbudzonych 207Hg, mówi Kay.  Dzięki ISS naukowcy mogli więc obserwować, jak jądra 206Hg przechwyciły neutron stając się 207Hg.

Deuter to ciężki izotop wodoru. Zawiera proton i neutron. Gdy 206Hg przechwytuje z niego neutron, dochodzi do odrzutu protonu. Emitowane w tym procesie protony trafiają do detektora w ISS, a ich pozycja i energia zdradzają kluczowe informacje o strukturze jądra. Informacje te mają bardzo duży wpływ na proces r i uzyskane w ten sposób dane pozwalają na przeprowadzenie istotnych obliczeń.

ISS korzysta z pionierskiej koncepcji opracowanej przez Johna Schiffera z Argonne National Laboratory. Na podstawie jego pomysłu zbudowano w Argone urządzenie HELIOS. Pozwoliło ono na badanie właściwości jąder atomowych, których wcześniej nie można było badać. HELIOS stał się inspiracją do zbudowania w CERN-ie ISS. Urządzenie to pracuje od 2008 roku i uzupełnia możliwości HELIOS.

Przez ostatnich 100 lat fizycy mogli zbierać informacje o jądrach atomowych dzięki bombardowaniu ciężkich jąder lekkimi jonami. Jednak reakcja przeprowadzana w drugą stronę, gdy ciężkie jądra uderzały w lekkie cele, prowadziła do pojawiania się wielu zakłóceń, które trudno było wyeliminować. Udało się to dopiero za pomocą HELIOS.

Gdy ciężka kula uderza w lekki cel dochodzi do zmiany kinematyki i uzyskane w ten sposób spektra są skompresowane. John Schiffer zauważył, że gdy do takiej kolizji dochodzi wewnątrz magnesu, wyemitowane w jej wyniku protony wędrują po spiralnym torze w kierunku detektora. Opracował pewną matematyczną sztuczkę, która opisuje tę kinematyczna kompresję, otrzymujemy więc zdekompresowane spektrum, z którego możemy wnioskować o strukturze jądrowej, wyjaśnia Kay.

Pierwsze analizy uzyskanych danych potwierdziły prawdziwość przewidywań teoretycznych. Naukowcy planują zatem kolejne eksperymenty, podczas których chcą wykorzystać inne jądra z obszaru 207Hg.

Ze szczegółami badań zapoznamy się na łamach Physical Review Letters.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Kiedy zbyt mocno nadmuchany balonik pęka, to jego kawałki odlatują w przeciwne strony, wykonując przy tym przeróżne powietrzne ewolucje. Podobnie przebiega proces rozszczepienia jądra atomowego, w którym ulega ono podziałowi na dwie części, czemu towarzyszy emisja kilku neutronów. Wydzielona w tym procesie energia objawia się nie tylko w postaci energii kinetycznej powstałych fragmentów, ale także w formie rotacji i innych wzbudzeń jądrowych. Jednym z towarzyszących zjawisk jest emisja kwantów promieniowania gamma, które unoszą nie tylko nadmiar powstałej energii, ale i moment pędu (czyli hamują obroty).
      W rozszczepiającym się systemie początkowy moment pędu wynosi praktycznie zero i mechanizm jego powstawania stanowił niezbadaną eksperymentalnie zagadkę od ponad 40 lat. W szczególności, nie było jasne, czy pojawia się on przed, czy po podzieleniu się jądra atomowego? Do przełomowego rozstrzygnięcia tej kwestii doprowadziła seria pomiarów przeprowadzonych w ośrodku badawczym Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJC) w Orsay we Francji.
      Uzyskane rezultaty, opublikowane w czasopiśmie Nature, są efektem współpracy fizyków z 37 ośrodków naukowych (z 16 krajów), w tym także z Wydziału Fizyki UW, tworzących grupę badawczą Nu-ball. Istotną rolę odgrywają w niej naukowcy z laboratorium IJC, w którym w 2018 roku na układzie ALTO przeprowadzono ponad 1200 godzin pomiarów z wykorzystaniem skolimowanej wiązki neutronów szybkich. Neutrony trafiały na tarcze zawierające materiały rozszczepialne 238U lub 232Th i indukowały rozszczepienie jąder atomowych. W dodatkowym pomiarze zbadano także spontaniczne rozszczepienie 252Cf.
      Promieniowanie gamma, towarzyszące reakcjom rozszczepienia się jąder, było rejestrowane przez układ około 200 detektorów. Udało się zrekonstruować kaskady przejść jądrowych w około 30 fragmentach rozszczepienia.
      Wyniki analizy własności emitowanego promieniowania jednoznacznie wskazały na brak korelacji pomiędzy momentami pędu powstałych fragmentów we wszystkich zbadanych przypadkach. Oznacza to, że w przeciwieństwie do większości dotychczas stosowanych modeli rozszczepienia, źródła momentu pędu są osobne i musi on powstawać po rozszczepieniu.
      Co więcej, pomiędzy powstającymi fragmentami nie ma przekazu informacji. Uzyskane wyniki pozwoliły zaproponować mechanizm opisujący powstawanie momentu pędu w rozszczepieniu. Zakłada on, że podczas rozszczepienia się jądra atomowego najpierw powstaje przewężenie, a następnie podział na dwa, niezależne układy o bardzo wydłużonym kształcie. Nowe systemy dążą do kształtu kulistego, a energia związana z deformacją przekształca się na wzbudzenie powstałych jąder atomowych. Zaproponowany przebieg rozszczepienia tłumaczy statystyczny charakter wzbudzeń, niezależny dla każdego z fragmentów.
      Rezultaty uzyskane przez fizyków z grupy Nu-ball mają zastosowanie w modelowaniu reaktorów jądrowych, w którym istotną składową transportu ciepła stanowi promieniowanie gamma emitowane przez fragmenty rozszczepienia oraz krotność jego występowania. Są one również istotne w planowaniu eksperymentów nastawionych na wytworzenie nowych superciężkich pierwiastków oraz egzotycznych nuklidów o dużym nadmiarze neutronów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Michigan State University odkryli, że jedna z najważniejszych reakcji chemicznych we wszechświecie zachodzi znacznie intensywniej we wnętrzach supernowych. Odkrycie to zmienia nasz spojrzenie na powstanie niektórych pierwiastków obecnych na Ziemi. W szczególności zaś wywraca do góry nogami teorię wyjaśniającą, dlaczego na Ziemi mamy do czynienia z niezwykle dużą ilości pewnych izotopów rutenu i molibdenu.
      Wyniki zaskakujących badań opublikowano na łamach Nature. Dowiadujemy się z nich, że w najbardziej wewnętrznych obszarach supernowych atomy węgla powstają 10-krotnie szybciej, niż dotychczas sądzono. Są one tworzone w potrójnym procesie alfa (proces 3-α). To proces syntezy termojądrowej, w którym z trzech jąder helu 4He powstaje jedno jądro węgla 12C.
      Potrójny proces alfa to dla nas najważniejsza reakcja chemiczna. To dzięki niej istniejemy, mówi profesor Hendrik Schatz z Wydziału Fizyki i Astronomii Michigan State University.
      Niemal wszystkie atomy tworzące Ziemię oraz to, co się na niej znajduje, z ludźmi włącznie, powstały w gwiazdach. A najważniejszym z tych atomów jest węgiel, który powstaje w 3-α. Wewnątrz gwiazd trzy jądra izotopu helu zwanego cząstką alfa – składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów – tworzą nowy pierwiastek składający się z sześciu protonów i sześciu neutronów. To najpowszechniej występująca forma węgla – 12C.
      Proces 3-α jest jednak zwykle mało wydajny, przypomina szef zespołu badawczego, profesor Luke Roberts. Chyba, że jest coś, co go wspomaga. Zespół Robertsa odkrył właśnie, że w najbardziej wewnętrznych warstwach supernowych istnieje taki element, a jest nim nadmiar protonów. To może znacząco przyspieszać reakcję 3-α.
      Jednak przyspieszenie tej reakcji wiąże się ze zmniejszeniem zdolności supernowej do wytwarzania cięższych pierwiastków. To bardzo ważne spostrzeżenie, gdyż dotychczas uważano, że nadmiar izotopów rutenu i molibdenu na Ziemi powstał dzięki supernowym bogatym w protony. Jednak badania przeprowadzone właśnie przez zespół Robertsa sugerują, że izotopy te nie powstały w supernowych bogatych w protony.
      Fascynujące jest to, że teraz musimy znaleźć inny sposób na wyjaśnienie istnienia takiej ilości tych izotopów. Nie powinno być ich aż tyle. A znalezienie alternatyw dla bogatych w protony supernowych nie będzie łatwym zadaniem, mówi Hendrik Schatz.
      To pewien problem. Dotychczas sądziliśmy, że wiemy, skąd na Ziemi taka obfitość izotopów rutenu i molibdenu. Okazało się jednak, że się myliliśmy, dodaje emerytowany profesor Sam Austin.
      Istnieją alternatywne rozwiązania tej zagadki, ale żadna z nich nie jest do końca satysfakcjonująca. Potrzebujemy więc nowej teorii, uwzględniającej najnowsze badania. Niezależnie od tego, jakie rozwiązania zostaną zaproponowane w przyszłości, będą one musiały uwzględniać wpływ przyspieszonej reakcji 3-α. To bardzo intrygująca zagadka, stwierdza Schatz. Uwielbiamy postęp. Nawet jeśli burzy on naszą ulubioną teorię, dodaje uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dawno temu, gdzieś we wszechświecie pojawił się gigantyczny rozbłysk promieniowania gamma. W ciągu pół sekundy wyemitowane zostało tyle energii, ile nasze Słońce wyprodukuje przez całe swoje życie. Powstała najjaśniejsza ze znanych nam kilonowych, której światło dotarło do Ziemi 22 maja 2020 roku. Naukowcy z Northwestern University, po przeanalizowaniu rozbłysku w zakresie promieniowania radiowego, rentgenowskiego i bliskiej podczerwieni doszli do wniosku, że zarejestrowali – jako pierwsi w historii – narodziny magnetara.
      Magnetar powstał w wyniku połączenia się dwóch gwiazd neutronowych. Współczesne teorie mówią, że gdy łączą się dwie gwiazdy neutronowe, powstaje ciężka gwiazda neutronowa, która w ciągu milisekund zapada się w czarną dziurę. Nasze analizy rozbłysku pokazują, że w tym przypadku ciężki obiekt przetrwał. Nie zapadł się w czarną dziurę, a utworzył magnetar – szybko obracającą się gwiazdę neutronową o bardzo silnych polach magnetycznych, która emituje energię do otoczenia, tworząc w ten sposób jasny rozbłysk, który zaobserwowaliśmy, mówi profesor Wen-fai Fong, która stała na czele grupy badawczej.
      Rozbłysk został najpierw zaobserwowany przez Neil Gehrels Swift Observatory. Wiadomość o wydarzeniu została przekazana dalej i wiele teleskopów zostało skierowanych, by obserwować nowe zjawisko. Badano je m.in. za pomocą Teleskopu Hubble'a, Keck Observatory, Very Large Array czy Las Cumbres.
      Zespół profesor Fong szybko zdał sobie sprawę, że zjawisko nie jest typowe. Uczeni zauważyli, że w odniesieniu do promieniowania rentgenowskiego i radiowego, promieniowanie w bliskiej podczerwieni, które zarejestrował Hubble, było zbyt jasne, Dokładnie aż 10-krotnie jaśniejsze, niż się spodziewano. Informacje dostarczone przez Hubble'a pokazały nam, że musimy porzucić konwencjonalne myślenie i że mamy do czynienia z nieznanym zjawiskiem, mówi współautor badań Tanmoy Laskar z brytyjskiego University of Bath.
      Z przeprowadzonych analiz wynika, że w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych doszło do powstania magnetara, który obraca się z prędkością 1000 obrotów na sekundę. Wiemy, że magnetary istnieją, bo obserwujemy je w naszej galaktyce. Uważamy, że większość z nich powstała w wyniku eksplozji olbrzymich gwiazd. Dotychczas tylko przypuszczaliśmy, że niewielka część magnetarów pochodzi z połączenia gwiazd neutronowych. Nigdy jednak nie mieliśmy na to dowodów, co czyni nasze odkrycie wyjątkowym, dodaje Fong.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      CERN udostępnił swój pierwszy publiczny Raport Środowiskowy, dotyczący m.in. emisji gazów cieplarnianych. Dowiadujemy się z niego, że w 2018 roku ta instytucja wyemitowała 223 800 ton ekwiwalentu dwutlenku węgla. To tyle co duży statek wycieczkowy.
      Z raportu dowiadujemy się, że aż 3/4 tej emisji powodują zawierające fluor gazy, używane podczas prac z wykrywaczami cząstek. CERN planuje zmniejszenie emisji.
      Obejmujący lata 2017–2018 raport sprowokował debatę zarówno wśród pracowników, jak i wśród osób z zewnątrz. Zaczęliśmy zastanawiać się, co można zrobić z tym już teraz i w jaki sposób projektować akceleratory przyszłości, mówi Frederick Bordry, dyrektor CERN ds. akceleratorów i technologii.
      Raport porusza wszelkie kwestie związane z wpływem CERN na środowisko, od emitowanego hałasu, po wpływ na bioróżnorodność, zużycie wody czy emitowane promieniowanie. Specjaliści orzekli, że to redukcja gazów cieplarnianych będzie miała największy wpływ na poprawę stanu środowiska. Inżynierowie już planują uszczelnienie miejsc wycieków w LHC i zoptymalizowanie systemu cyrkulacji gazu. Docelowo chcą, żeby w roli chłodziwa czujników gazy zawierające fluor zostały zastąpione przez dwutlenek węgla, który ma kilka tysięcy razy mniejszy potencjał cieplarniany. Gdy budowaliśmy Wielki Zderzacz Hadronów, nie docenialiśmy potencjału cieplarnianego tych gazów. Naszym głównym zmartwieniem była dziura ozonowa, mówi Bordry. Na razie CERN chce obniżyć swoją bezpośrednią emisję gazów cieplarnianych o 28% do roku 2024.
      Raport uwzględnia też pośrednią emisję generowaną przez CERN. Laboratorium zużywa bowiem tyle energii elektrycznej co niewielkie miasteczko. Zakładamy w LHC systemy odzyskiwania energii. Jesteśmy pionierami wykorzystania nadprzewodnictwa na duża skalę, co może zwiększyć efektywność sieci energetycznych.
      Jak jednak zauważają specjaliści, znacznie lepiej jest emitować gazy cieplarniane w celu dokonywania odkryć naukowych, niż w innych celach. Postęp naukowy jest bardzo ważny i trudno znaleźć ważniejszą instytucję naukową niż CERN. Osobiście wolę, byśmy emitowali gazy cieplarniane pracując w CERN niż lecąc samolotem do Pragi, by się upić na weekend, mówi John Barrett, z Sustainability Research Institute.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ostatnim rozdziałem końca wszechświata, który nastąpi długo po tym, jak zgaśnie ostatnia gwiazda, może być seria niezwykłych eksplozji. Niezwykłych, bo ich głównymi bohaterami będą supernowe z czarnych karłów, twierdzi Matt E. Caplan z Illinois State University, którego artykuł Black dwarf supernova in the far future został zaakceptowany do publikacji w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
      Czarne karły jeszcze nie powstały, gdyż sam wszechświat istnieje zbyt krótko by mogły się pojawić. Ewolucja gwiazd jest determinowana przez ich masę. Niektóre eksplodują, stają się supernowymi i mogą zostać czarnymi dziurami. Jeszcze inne stają się niewielkimi gęstymi gwiazdami – białymi karłami. Po bilionach lat tracą blask i zamieniają się w czarne nie emitujące światła obiekty zwane czarnymi karłami. Caplan twierdzi, że pod koniec istnienia wszechświata mogą one rozświetlić go, eksplodując i zamieniając się w supernowe.
      Supernowe czarnych karłów powstaną w wyniku fuzji pyknonuklearnej (pycnonuclear fusion). Zwykle gwiazdy są zasilane dzięki reakcjom termojądrowym, gdzie wysokie temperatury i ciśnienie wymuszają łączenie się atomów w cięższe pierwiastki.
      Tymczasem fuzja pyknonuklearna zachodzi w wyniku pojawienia się tunelowania kwantowego, które pozwala atomom na zbliżenie się bardziej niż normalnie. To proces, który z czasem zmienia białego karła w żelazo – ostatni z pierwiastków, jaki może powstać w wyniku fuzji.
      Jak mówi Matt Caplan, takie reakcje zachodzą niezwykle powoli. Przez milion lat może nie dojść do ani jednej tego typu reakcji w czarnym karle, stwierdza uczony. Dla porównania – w każdej sekundzie w Słońcu dochodzi do fuzji ponad 1038 protonów.
      Zamiana czarnego karła w żelazo w wyniku fuzji pyknonuklearnej może potrwać od 101100 do 1032000 lat. To kolosalne skale czasowe, mówi astrofizyk Fred Adams z Univesrity of Michigan. Uważamy, że największe możliwe czarne dziury parują w ciągu 10100 lat. To mgnienie oka w porównaniu ze skalą omawianą w artykule.
      Gdy już większość czarnego karła zamieni się w żelazo, obiekt zostanie zmiażdżony przez własną masę. Dojdzie do implozji, która odrzuci zewnętrzne warstwy. Podobne procesy zachodzą we współczesnym wszechświecie, gdzie gromadzenie się żelaza prowadzi do pojawienia się supernowych Typu II.
      Jak wylicza Caplan, supernowa czarnego karła może powstać z czarnego karła o masie od 1,16 do 1,35 masy Słońca. Z kolei takie czarne karły powstaną z typowych gwiazd o masie od 6 do 10 mas Słońca. Gwiazdy o takiej masie nie są zbyt rozpowszechnione, chociaż nie można też powiedzieć, że występują rzadko. Szacuje się, że stanowią one około 1% wszystkich gwiazd. Na tej podstawie Caplan szacuje, że przed końcem wszechświata pojawi się około 1021 supernowych czarnych karłów. Jako, że czarne karły będą miały niewielką masę, ich supernowe nie będą tak olbrzymie jak znane nam supernowe, jednak nadal będzie to spektakularne widowisko, szczególnie w pozbawionym gwiazd ciemnym wszechświecie.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...