เครื่องมือใหม่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) ได้ทำการตรวจวัดนิวเคลียสรูทีเนียมที่ไม่เสถียรอย่างแม่นยำอย่างยิ่ง การวัดเป็นเหตุการณ์สำคัญในฟิสิกส์นิวเคลียร์เนื่องจากตรงกับการคาดการณ์ของแบบจำลองนิวเคลียร์ที่ซับซ้อนอย่างใกล้ชิด
“เป็นเรื่องยากมากสำหรับแบบจำลองทางทฤษฎีที่จะทำนายคุณสมบัติของนิวเคลียสที่ซับซ้อนและไม่เสถียร” Bernhard Maass ผู้ช่วยนักฟิสิกส์ที่ Argonne และผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว "เราได้แสดงให้เห็นว่าโมเดลขั้นสูงระดับหนึ่งสามารถทำสิ่งนี้ได้อย่างแม่นยำ ผลลัพธ์ของเราช่วยในการตรวจสอบโมเดล"
การตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองสามารถสร้างความไว้วางใจในการทำนายเกี่ยวกับกระบวนการทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ซึ่งรวมถึงการก่อตัวของดาวฤกษ์ วิวัฒนาการ และการระเบิดของดาวฤกษ์ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของธาตุต่างๆ
การศึกษาถูกตีพิมพ์ในจดหมายทบทวนทางกายภาพ.
ความจำเป็นในการตรวจสอบแบบจำลองทางทฤษฎี
นักฟิสิกส์นิวเคลียร์กำลังพัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีขั้นสูงเพิ่มเติมเพื่อทำนายคุณสมบัติของนิวเคลียสอะตอมที่ไม่เสถียรที่มีโครงสร้าง รูปร่าง และแรงที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ แบบจำลองดังกล่าวมีศักยภาพในการทำความเข้าใจการทำงานภายในของนิวเคลียสของอะตอมให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
อย่างไรก็ตาม จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำของแบบจำลองเหล่านี้ก่อนจึงจะสามารถนำไปใช้เพื่อก้าวข้ามขอบเขตของวิทยาศาสตร์ได้ ซึ่งต้องใช้งานที่ยากในการรวบรวมการวัดนิวเคลียสที่ซับซ้อน-ในโลกจริงและแม่นยำ และเปรียบเทียบการวัดกับการทำนายของแบบจำลอง
รูทีเนียมเป็นองค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดในการตรวจสอบแบบจำลองทางทฤษฎีขั้นสูง โลหะหายากนี้มีไอโซโทป-อะตอมของธาตุเดียวกันโดยมีจำนวนนิวตรอนต่างกันและมีความเสถียรที่แตกต่างกัน- เป็นที่รู้กันว่ามีนิวเคลียสที่มีโครงสร้างและรูปร่างที่ซับซ้อน มีไอโซโทปรูทีเนียมกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียรจำนวนหนึ่ง ซึ่งเชื่อกันว่ามีรูปร่างเป็นสามเหลี่ยม คล้ายกับอัลมอนด์หรือเมล็ดกาแฟ
การวัดคุณสมบัติของรูทีเนียม
ทีมวิจัยใช้เครื่องเลเซอร์บีมไลน์ Argonne Tandem Hall สำหรับอะตอมและไอออนสเปกโทรสโกปี (ATLANTIS) เพื่อตรวจวัดไอโซโทปรูทีเนียมกัมมันตภาพรังสี 9 ไอโซโทป อุปกรณ์ใหม่นี้ได้รับการติดตั้งที่ Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS)
ATLAS เป็นสถานที่สำหรับผู้ใช้ DOE ที่ Argonne โดยมีเครื่องเร่งเชิงเส้นแบบตัวนำยิ่งยวดที่ออกแบบมาเพื่อศึกษาคุณสมบัติของนิวเคลียส
นักวิจัยได้เข้าถึงไอโซโทปรูทีเนียมกัมมันตภาพรังสีจากเครื่องมือ ATLAS อีกตัวหนึ่ง นั่นคือ Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU) CARIBU สามารถส่งสารกัมมันตภาพรังสีรูทีเนียมผ่านฟิชชันของแคลิฟอร์เนียมจำนวนเล็กน้อย- ซึ่งเป็นธาตุที่มีกัมมันตรังสีสูงซึ่งหายาก
“ไอโซโทปรูทีเนียมที่เราศึกษาอยู่ได้เพียงเสี้ยววินาทีก่อนที่จะสลายไปเป็นองค์ประกอบอื่นๆ” มาสส์กล่าว "แอตแลนติสใช้เทคนิคที่เรียกว่าคอลลิเนียร์เลเซอร์สเปกโทรสโกปี ซึ่งช่วยให้เรารวบรวมการตรวจวัดไอโซโทปเหล่านี้จำนวนน้อยมากได้ในเวลาไม่ถึงวินาที"
นักวิจัยใช้ ATLANTIS กำหนดลำแสงเลเซอร์ไปตามเส้นทางเดียวกับลำแสงอะตอมรูทีเนียม ที่ความถี่เลเซอร์บางความถี่ อะตอมจะตื่นเต้นและเริ่มเรืองแสง ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการปล่อยโฟตอนของแสงออกมา ทีมงานได้ระบุความถี่เลเซอร์ที่โฟตอนปล่อยออกมาถึงจุดสูงสุด กระบวนการนี้ถูกทำซ้ำสำหรับไอโซโทปรูทีเนียมทั้งเก้า สำหรับแต่ละไอโซโทป จุดสูงสุดของการปล่อยก๊าซจะเปลี่ยนเป็นความถี่ที่แตกต่างกันเล็กน้อย
"เราสามารถใช้การเปลี่ยนแปลงไอโซโทปนี้เพื่อหาความแตกต่างของขนาดนิวเคลียร์ของไอโซโทปได้" มาสส์กล่าว
ทีมงานเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงขนาดเหล่านี้กับการคาดการณ์จากบรัสเซลส์-สกายร์ม-บน-แบบจำลองกริด (BSkG) ซึ่งเป็นหนึ่งในโครงสร้างนิวเคลียร์ที่ทันสมัยที่สุดในโลก ต่างจากแบบจำลองนิวเคลียร์แบบเก่าตรงที่พวกมันอธิบายแรงเฉพาะและอันตรกิริยาระหว่างนิวตรอนและโปรตอนทั้งหมดในนิวเคลียส
นักวิจัยพบข้อตกลงที่ดีเยี่ยมระหว่างผลลัพธ์และการคาดการณ์จากแบบจำลอง BSkG ซึ่งชี้ไปที่ความทนทานของแบบจำลอง
ทีมงานยังได้พัฒนาเทคโนโลยีคอลลิเนียร์เลเซอร์สเปกโทรสโกปีอีกด้วยในการพยายามทำให้การวัดมีความแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกเขาได้พัฒนาและนำเทคนิคใหม่ที่มีประสิทธิภาพมาใช้เพื่อทำให้ลำแสงอะตอมเป็นกลางและ "มัด" ให้เป็นพัลส์
ค้นพบความใหม่ล่าสุดในด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และอวกาศด้วยสมาชิก 100,000 คนที่ใช้ Phys.org เพื่อรับข้อมูลเชิงลึกรายวัน สมัครรับจดหมายข่าวฟรีของเราและรับข้อมูลอัปเดตเกี่ยวกับความก้าวหน้า นวัตกรรม และการวิจัยที่สำคัญ-รายวันหรือรายสัปดาห์.
สมัครสมาชิก
ผลกระทบต่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าแบบจำลอง BSkG สามารถคาดการณ์นิวเคลียสแบบสามแกนที่ไม่เสถียรได้อย่างแม่นยำ แบบจำลองอันทรงพลังดังกล่าวอาจช่วยให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ให้ความกระจ่างว่าจักรวาลทำงานอย่างไร
“นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทราบดีว่านิวเคลียสกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียรมีบทบาทสำคัญในการกำเนิดดาวฤกษ์และองค์ประกอบต่างๆ ในจักรวาล” มาสส์กล่าว
"เพื่อทำความเข้าใจเอกภพของเราให้ดีขึ้น เราจำเป็นต้องรู้ว่านิวเคลียสมีโครงสร้างอย่างไรและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร เราจำเป็นต้องสามารถทำนายคุณสมบัติของนิวเคลียสแปลกตาที่ไม่สามารถผลิตได้ในเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่"
ผู้เขียนงานวิจัยสามคนได้พัฒนาแบบจำลอง BSkG ได้แก่ Wouter Ryssens และ Guilherme Grams จาก Université libre de Bruxelles ในเบลเยียม และ Michael Bender จาก Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon ในประเทศฝรั่งเศส
นอกจาก Maass, Ryssens, Grams และ Bender แล้ว การทดลองและการสร้าง ATLANTIS ยังเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิจัยจาก Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard และ Adrian Valverde) มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่ง Darmstadt ในเยอรมนี และสถานที่สำหรับคานไอโซโทปหายากที่ Michigan State University
ATLANTIS พร้อมสำหรับสถาบันที่ทำงานร่วมกันเพื่อทำการตรวจวัดคอลลิเนียร์เลเซอร์สเปกโทรสโกปีสำหรับความต้องการด้านการวิจัยที่หลากหลาย หากต้องการสำรวจโอกาสในการทำงานร่วมกัน โปรดติดต่อ Maass
