Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Лазерные выстрелы могут привести к новым открытиям в астрофизике

В декабре в заголовки газет во всем мире попала Национальная установка по возгоранию (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE). Ученые из NIF провели первый эксперимент по ядерному синтезу, в котором энергия, полученная в результате синтеза, превысила количество энергии, непосредственно подаваемой на топливо для его воспламенения. Этот первый в своем роде результат даст бесценное представление о потенциале чистой энергии от синтеза.

Но научное влияние НИФ на этом не заканчивается. Используя Аргоннскую тандемную ускорительную систему линейного ускорителя (ATLAS), пользовательскую установку Управления науки Министерства энергетики США, расположенную в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, группа ученых изучает экстремальную звездообразную среду, созданную во время лазерных выстрелов в NIF, чтобы лучше понять ее потенциал. в качестве испытательного полигона для ядерных астрофизических исследований. Работа также может дать представление о природе звезд и происхождении элементов.

Имитация небес на земле

Тяжелые элементы , в том числе золото, платина и уран, образуются при звездных взрывах, таких как сверхновые и слияния нейтронных звезд. Во время лазерных выстрелов NIF 192 лазерных луча фокусируются, чтобы зажечь крошечную капсулу термоядерного топлива , создавая давление и температуру, характерные для экстремальных звездных явлений. Это делает объект мощным инструментом для изучения ядерной физики, связанной с образованием тяжелых элементов, и улучшения моделей звездных взрывов и ранней Вселенной.

«Среда, созданная во время экспериментов NIF, крошечная и очень недолговечная, так что это не совсем звезда», — пошутил пользователь ATLAS Майкл Пол, ученый из Еврейского университета в Иерусалиме и ведущий научный сотрудник в сотрудничестве. «Но термодинамика, происходящая внутри окружающей среды, очень близка к термодинамике звезд, особенно взрывающихся звезд. Если мы сможем воспроизвести эти астрофизические условия на Земле в лаборатории, мы сможем подробно изучать звездные процессы в хорошо охарактеризованной среде недалеко от дома. »

В частности, команда ищет доказательства быстрого процесса захвата нейтронов, или r-процесса, который отвечает за производство примерно половины тяжелых элементов в природе.

Нейтроны — это частицы, которые вместе с протонами составляют ядро ​​в центре атома. Захват нейтрона — это когда ядро ​​атома поглощает нейтрон. Исходное ядро ​​и ядро-продукт являются изотопами или формами одного и того же элемента. Некоторые изотопы более стабильны, а некоторые более радиоактивны, то есть они быстрее распадаются на другой изотоп.

В экстремальных звездных условиях плотность нейтронов невероятно высока. Эти богатые нейтронами среды позволяют ядрам расти, очень быстро захватывая множество нейтронов, производя атомы новых и более тяжелых элементов, прежде чем они успеют распасться.

Анализ аргона в Аргонне

В экспериментах NIF-ATLAS ученые вводят небольшое количество газообразного аргона внутрь капсулы с термоядерным топливом до того, как топливо воспламеняется лазерами NIF. Подобно атомным шпионам, выполняющим миссию для ученых, атомы аргона отправляются в капсулу для извлечения и хранения информации о ее внутренней части во время выстрела.

После лазерного выстрела аргон транспортируется в ATLAS в Аргонне, где ученые ищут доказательства того, что ядро ​​аргона-40 (изотоп аргона, содержащий 40 субатомных частиц в своем ядре — 18 протонов и 22 нейтрона) захватило два нейтрона одновременно во время лазер выстрелил, превратившись в аргон-42. «Если мы увидим это, это будет первый случай, когда событие, подобное r-процессу, было обнаружено в воспроизводимых лабораторных условиях», — сказал Пол.

Аргон-42 радиоактивен, но распадается медленно, поэтому он сохраняется достаточно долго, чтобы команда могла доставить его в ATLAS и проанализировать до того, как он распадется. Газ анализируется с использованием уникального метода, разработанного в Аргонне, который называется масс-спектрометрией на ускорителе благородных газов (NOGAMS). NOGAMS — это сверхчувствительный метод подсчета количества отдельных атомов определенного изотопа в образце.

Ученые решили использовать аргон, потому что это благородный газ, а это означает, что он не вступает в химическую реакцию с другими веществами и не мешает термоядерному топливу в капсуле. Эта инертность также затрудняет ускорение и обнаружение с использованием традиционных методов ускорительной масс-спектроскопии. Уникальный подход метода NOGAMS делает ATLAS единственной установкой, которая может подсчитывать атомы благородных газов.

«Возможности ATLAS делают это исследование возможным», — сказала физик из Аргонны Мелина Авила Коронадо. «Интересно думать, какое понимание звездных процессов может быть получено из этого».

Авила Коронадо помогает таким пользователям, как Пол и его команда, работать и проводить измерения с помощью магнитного спектрометра в ATLAS. Предварительные эксперименты состоялись в 2022 году и продемонстрировали ядерные реакции аргона-40 в термоядерной среде. Команда намерена продолжить поиск свидетельств r-процесса и других интересующих астрофизических процессов в 2023 году.

Лазерные выстрелы могут привести к новым открытиям в астрофизике

Теги: лазер

В тренде