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
      Włoscy uczeni postanowili znaleźć te miejsca Drogi Mlecznej, w których życie może najbezpieczniej się rozwijać. Ocenili historyczną zdolność do podtrzymania życia w Drodze Mlecznej z uwzględnieniem wpływu eksplozji supernowych i rozbłysków gamma. Zjawiska te mogą bowiem zniszczyć życie w zasięgu swojego oddziaływania. Przy okazji zaś przetestowali hipotezę mówiącą, że to rozbłysk gamma był odpowiedzialny za wymieranie w ordowiku (ok. 445 milionów lat temu).
      Wybuchy supernowych i rozbłyski gamma niosą ze sobą olbrzymią ilość promieniowania, które może odrzeć atmosferę planety z ochronnej warstwy ozonu. Bez tej warstwy do powierzchni planety dociera szkodliwe promieniowanie zdolne do zabicia życia. Przed około 359 milionami lat pobliska supernowa prawdopodobne doprowadziła do masowego wymierania na Ziemi. Gdyby znajdowała się bliżej, mogłaby zabić całe życie.
      Eksperci z Università dell’Insubria, Osservatorio Astronomico di Brera, Sezione Milano–Bicocca oraz Università Milano–Bicocca zdolność do bezpiecznego utrzymania życia szacowali na podstawie odległości potencjalnych planet typu ziemskiego od centrum galaktyki. Wykorzystali tutaj dane dotyczące pojawiania się supernowych i rozbłysków gamma z historią ewolucji poszczególnych gwiazd oraz z zawartością cięższych pierwiastków (tzw. metali) w gwiazdach w całej galaktyce. Wzięli też pod uwagę prawdopodobieństwo pojawienia się planet typu ziemskiego w pobliżu gwiazd typu M i FGK. W ten sposób mogli sprawdzić, w jakiej odległości od badanych gwiazd doszło do potencjalnie destrukcyjnego wydarzenia astrofizycznego.
      Na podstawie badań Włosi doszli do wniosku, że jeszcze około 6 miliardów lat temu najbezpieczniejszym regionem dla życia były obrzeża naszej galaktyki. Jednak sytuacja ta uległa zmianie w ciągu ostatnich około 4 miliardów lat. Obecnie od około 500 milionów lat najbezpieczniejszym stał się region położony w odległości 2–8 tysięcy parseków od centrum galaktyki. Jeden parsek to około 3,26 roku świetlnego. Szczęśliwie dla nas niedawne badania wykazały, że Ziemia znajduje się bliżej czarnej dziury niż sądzono, dzięki czemu znaleźliśmy się wewnątrz obszaru wyznaczonego obecnie przez Włochów.
      Naukowcy potwierdzili przyczynę wspomnianego na wstępie wymierania w ordowiku. To jasno pokazuje, że nasz region nie jest całkowicie bezpieczny, gdyż byłoby to drugie takie wydarzenie w historii Ziemi w ciągu ostatnich 500 milionów lat. Jednak w tym samym czasie krańce Drogi Mlecznej zostały wysterylizowane przez 2-5 długotrwałych rozbłysków gamma, stwierdzają autorzy badań.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas ostatnich badań w CERN zdobyto dane, które – jeśli zostaną potwierdzone – będą oznaczały, że doszło do naruszenia Modelu Standardowego. Dane te dotyczą potencjalnego naruszenia zasady uniwersalności leptonów. O wynikach uzyskanych w LHCb poinformowano podczas konferencji Recontres de Moriond, na której od 50 lat omawia się najnowsze osiągnięcia fizyki oraz w czasie seminarium w CERN.
      Podczas pomiarów dokonywanych w LHCb porównywano dwa typy rozpadu kwarków powabnych. W pierwszym z nich pojawiają się elektrony, w drugim miony. Miony są podobne do elektronów, ale mają około 200-krotnie większą masę. Elektron, mion i jeszcze jedna cząstka – tau – to leptony, które różnią się pomiędzy sobą zapachami. Zgodnie z Modelem Standardowym, interakcje, w wyniku których pojawiają się leptony, powinny z takim samym prawdopodobieństwem prowadzić do pojawiania się elektronów i mionów podczas rozpadu kwarka powabnego.
      W roku 2014 zauważono coś, co mogło wskazywać na naruszenie zasady uniwersalności leptonów. Teraz, po analizie danych z lat 2011–2018 fizycy z CERN poinformowali, że dane wydają się wskazywać, iż rozpad kwarka powabnego częściej dokonuje się drogą, w której pojawiają się elektrony niż miony.
      Istotność zauważonego zjawiska to 3,1 sigma, co oznacza, iż prawdopodobieństwo, że jest ono zgodne z Modelem Standardowym wynosi 0,1%. Jeśli naruszenie zasady zachowania zapachu leptonów zostanie potwierdzone, wyjaśnienie tego procesu będzie wymagało wprowadzenie nowych podstawowych cząstek lub interakcji, mówi rzecznik prasowy LHCb profesor Chris Parkes z University of Manchester.
      Rozpad kwarka powabnego prowadzi do pojawienia się kwarka dziwnego oraz elektronu i antyelektronu lub mionu i antymionu. Zgodnie z Modelem Standardowym w procesie tym pośredniczą bozony W+ i Z0. Jednak naruszenie zasady uniwersalności leptonów wskazuje, że zaangażowana w ten proces może być jakaś nieznana cząstka. Jedna z hipotez mówi, że jest to leptokwark, masywny bozon, który wchodzi w interakcje zarówno z leptonami jak i z kwarkami.
      Co istotne, dane z LHCb zgadzają się z danymi z innych anomalii zauważonych wcześniej zarówno w LHCb, jak i obserwowanych od 10 lat podczas innych eksperymentów na całym świecie. Nicola Serra z Uniwersytetu w Zurichu mówi, że jest zbyt wcześnie by wyciągać ostateczne wnioski. Jednak odchylenia te zgadzają się ze wzorcem anomalii obserwowanych przez ostatnią dekadę. Na szczęście LHCb jest odpowiednim miejscem, w którym możemy sprawdzić potencjalne istnienie nowych zjawisk fizycznych w tego typu rozpadach. Musimy przeprowadzić więcej pomiarów.
      LHCb to jeden z czterech głównych eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów.Jego zadaniem jest badanie rozpadu cząstek zawierających kwark powabny.
      Artykuły na temat opisanych tutaj badań zostały opublikowane na stronach arXiv oraz CERN.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy poszukujący „wyspy stabilności” odkryli nowy izotop darmsztadu i nowy stan wzbudzony kopernika-282. Stwierdzili jednocześnie, że „wyspy” należy szukać nie tam, gdzie przewidywały wcześniejsze teorie, ale nieco dalej. Wyprawa do wyspy stabilności obrała nowy kurs, stwierdził Anton Såmark-Roth z Uniwersytetu w Lund.
      W latach 60. pojawiły się teorie dotyczące możliwego istnienia superciężkich pierwiastków. Stwierdzono wtedy, że w okolicy nieznanego jeszcze wówczas pierwiastka o liczbie atomowej 114 powinna istnieć „wyspa stabilności”, gdzie superciężkie pierwiastki będą trwały dłużej.
      Najcięższym występującym w naturze pierwiastkiem jest uran, którego jądro zawiera 92 protony i 146 neutronów. Jądra cięższych pierwiastków, z powodu wzrastającej liczby protonów, są coraz bardziej niestabilne. Rozpadają się więc coraz szybciej, w ułamku sekundy. Jeśli jednak w jądrze pojawi się „magiczna liczba” protonów i/lub netronów, jądro takie staje się stabilne. Niedawno informowaliśmy, że CERN bada magię liczby 32. Pod koniec lat 60. fizycy teoretyczni przewidywali, że taka wyspa stabilności powinna istnieć wokół pierwiastka o liczbie atomowej 114.
      Obecnie najcięższym znanym nam pierwiastkiem jest zsyntetyzowany w 2002 roku oganeson. Jego liczba atomowa to 118. Bardzo trudno jest go uzyskać, a jeszcze trudniej badać, gdyż czas półrozpadu tego pierwiastka to około 1 milisekundy.
      To Święty Graal fizyki atomowej. Wielu naukowców marzy o odkryciu czegoś tak egzotycznego, jak długotrwały, a może nawet stabilny, superciężki pierwiastek, mówi Anton Såmark-Roth. Wszedł on w skład międzynarodowego zespołu pracującego pod kierunkiem profesora Dirka Rudolpha z Uniwersytetu w Lund.
      Naukowcy wzięli na warsztat pierwiastek flerow o liczbie atomowej 114, a konkretnie jego dwa lżejsze izotopy flerow-288 i flerow-286.
      W niemieckim Centrum Badań nad Ciężkimi Jonami (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) uczeni użyli synchrotronu, za pomocą którego przyspieszali do 10% prędkości światła atomy wapnia-48 i bombardowali nimi pluton-244. W ten sposób otrzymywali pojedyncze atomy flerowa i obserwowali ich rozpad. W czasie 18-dniowego eksperymentu zaobserwowali kilkadziesiąt takich rozpadów.
      W czasie badań zauważyli nowe, nieznane dotychczas drogi rozpadu tego pierwiastka. Szczególnie interesujące były dwie. Pierwsza z nich, w ramach której flerow-288 rozpadał się do kopernika-284, a ten do nieznanego wcześniej darmstadu-280. W drugim interesującym łańcuchu zaobserwowano rozpad flerowu-286 do wzbudzonego kopernika-282, który zawierał parzystą liczbę protonów i parzystą neutronów. Nigdy wcześniej nie zauważono takiego zjawiska we wzbudzonym superciężkim jądrze.
      Obserwacja obu tych łańcuchów oraz istnienie wzbudzonego kopernika-282 pozwala na opracowanie nowych modeli teoretycznych dotyczących zarówno flerowa-298, jak i wyspy stabilności.
      To były trudne, ale bardzo udane badania. Teraz wiemy, że wyspy stabilności powinniśmy poszukiwać nie w okolicach 114., ale 120. pierwiastka, który jeszcze nie został odkryty, mówi Såmark-Roth.

      « powrót do artykułu
    • 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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...