Un nou aparell del Laboratori Nacional d'Argonne del Departament d'Energia dels EUA (DOE) ha fet mesures extremadament precises de nuclis de ruteni inestables. Les mesures són una fita important en la física nuclear perquè coincideixen molt amb les prediccions fetes per models nuclears sofisticats.
"És molt difícil que els models teòrics predin les propietats dels nuclis complexos i inestables", va dir Bernhard Maass, físic ajudant d'Argonne i autor principal de l'estudi. "Hem demostrat que una classe de models avançats pot fer-ho amb precisió. Els nostres resultats ajuden a validar els models".
La validació dels models pot generar confiança en les seves prediccions sobre els processos astrofísics. Aquests inclouen la formació, evolució i explosions d'estrelles on es creen elements.
L'estudi es va publicar aCartes de revisió física.
Necessitat de validar models teòrics
Els físics nuclears estan desenvolupant models teòrics més avançats per predir amb precisió les propietats dels nuclis atòmics inestables amb estructures, formes i forces complicades. Aquests models tenen el potencial d'aprofundir en la nostra comprensió del funcionament intern dels nuclis atòmics.
Tanmateix, és essencial demostrar l'exactitud d'aquests models abans que es puguin utilitzar per impulsar les fronteres de la ciència. Això requereix la difícil tasca de recollir mesures precises i reals-de nuclis complexos i comparar-les amb les prediccions dels models.
El ruteni és un element ideal per validar models teòrics avançats. Aquest metall rar té isòtops-àtoms del mateix element amb un nombre diferent de neutrons i una estabilitat variable-coneguda per tenir nuclis amb estructures i formes complexes. Hi ha una sèrie d'isòtops radioactius de ruteni inestables que es creu que tenen una forma triaxial, semblant a una ametlla o un gra de cafè.
Mesura de les propietats del ruteni
L'equip d'investigació va utilitzar l'aparell Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) per mesurar nou isòtops radioactius de ruteni. Aquest nou dispositiu es va instal·lar al sistema Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS és una instal·lació d'usuari del DOE a Argonne amb un accelerador lineal superconductor dissenyat per estudiar les propietats dels nuclis.
Els investigadors van obtenir accés als isòtops radioactius de ruteni des d'un altre instrument d'ATLAS, el Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU pot lliurar ruteni radioactiu mitjançant la fissió d'una petita quantitat de californi-un element rar i altament radioactiu.
"Els isòtops de ruteni que vam estudiar duren només un segon abans de descompondre's en altres elements", va dir Maass. "ATLANTIS realitza una tècnica anomenada espectroscòpia làser colineal. Ens permet recollir mesures en quantitats molt petites d'aquests isòtops en menys d'un segon".
Utilitzant ATLANTIS, els investigadors van dirigir un raig làser pel mateix camí que un feix d'àtoms de ruteni. A determinades freqüències làser, els àtoms es van excitar i van començar a fluorescència, cosa que indica que es van emetre fotons de llum. L'equip va identificar les freqüències làser a les quals les emissions de fotons van assolir el màxim. Aquest procés es va repetir per als nou isòtops de ruteni. Per a cada isòtop, el pic d'emissió es va desplaçar a una freqüència lleugerament diferent.
"Podem utilitzar aquest canvi d'isòtops per derivar les diferències en les mides nuclears dels isòtops", va dir Maass.
L'equip va comparar aquests canvis de mida amb les prediccions de Brussel·les-Skyrme-en models-a-Grid (BSkG), que es troben entre els més avançats del món per a l'estructura nuclear. A diferència dels models nuclears més antics i tradicionals, tenen en compte les forces específiques i les interaccions entre tots els neutrons i protons d'un nucli.
Els investigadors van trobar un excel·lent acord entre els seus resultats i les prediccions dels models BSkG, cosa que assenyala la robustesa dels models.
En particular, en intentar permetre mesures precises, l'equip també va avançar la tecnologia d'espectroscòpia làser colineal. Concretament, van desenvolupar i implementar noves tècniques efectives que neutralitzen el feix d'àtoms i el "agrupen" en polsos.
Descobreix les últimes novetats en ciència, tecnologia i espai amb over100.000 subscriptorsque confien en Phys.org per obtenir informació diària. Subscriu-te al nostre butlletí gratuït i rebràs actualitzacions sobre avenços, innovacions i investigacions importants-diari o setmanal.
Subscriu-te
Implicacions per a l'astrofísica
L'estudi va demostrar que els models BSkG poden fer prediccions de nuclis triaxials inestables amb una precisió notable. Aquests models tan potents poden ajudar els astrofísics a donar llum sobre com funciona l'univers.
"Els astrofísics saben que els nuclis radioactius inestables tenen un paper important en la formació d'estrelles i elements a l'univers", va dir Maass.
"Per entendre millor el nostre univers, hem de saber com s'estructuren els nuclis i com interactuen. Hem de ser capaços de predir propietats dels nuclis exòtics que no es poden produir en els acceleradors de partícules moderns".
Tres dels autors de l'estudi van desenvolupar els models BSkG: Wouter Ryssens i Guilherme Grams, tots dos de la Université libre de Bruxelles a Bèlgica, i Michael Bender de l'Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon a França.
A més de Maass, Ryssens, Grams i Bender, els experiments i la construcció d'ATLANTIS van ser una col·laboració entre investigadors d'Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard i Adrian Valverde), la Universitat Tècnica de Darmstadt a Alemanya i la Facility for Rare Isope State University de Michigan.
ATLANTIS està disponible per a institucions col·laboradores per realitzar mesures d'espectroscòpia làser colineal per a una varietat de necessitats de recerca. Per explorar oportunitats de col·laboració, poseu-vos en contacte amb Maass.
