1007
У ядерній фізиці з’явився інструмент, який дозволяє «підслухати» атомне ядро з точністю, недосяжною раніше. Новий масив детекторів гамма-випромінювання GRETA вийшов на робочий режим на установці рідкісних ізотопів FRIB, відкриваючи еру наддетального «сканування» будови матерії. Про це повідомляє Newswise Science News.
Що відомо коротко
- GRETA — це найсучасніший у світі гамма-спектрометр для ядерної фізики, який відстежує енергію гамма-променів з безпрецедентною точністю.
- Установка використовує масив детекторів із <strongвисокочистого германію для вивчення структури та поведінки атомних ядер.
- GRETA пройшов перше випробування з пучком частинок і успішно завершив етап пусконалагодження та характеристизації на FRIB.
- Система змонтована на лінії ReAccelerator і вже отримала експериментальні дані, що підтверджують очікувані характеристики.
- Завдяки GRETA дослідники зможуть вивчати, як «складаються» ядра, скільки протонів і нейтронів вони можуть утримувати та як утворюються важкі елементи в зорях.
Як GRETA «чує» ядро краще за попередні системи
Атомне ядро можна уявити як крихітний музичний інструмент: коли воно збуджене, воно «скидає» зайву енергію у вигляді гамма-променів — своєрідних нот. Чим точніше ми визначаємо енергію і напрямок цих «нот», тим краще розуміємо будову інструмента.
GRETA — це великий масив детекторів із високочистого германію, розміщений навколо зони зіткнень ядер. Коли збуджене ядро повертається до стабільнішого стану, воно випромінює каскад гамма-променів. GRETA відстежує ці кванти випромінювання з дуже високою чутливістю та роздільною здатністю, складаючи з них своєрідну «томографію» ядра.
Ключ у тому, що детекторів багато, вони оточують мішень з усіх боків і можуть фіксувати навіть найслабші переходи. Це дає змогу побачити деталі, які раніше губилися на фоні й залишалися невидимими.
Перші випробування на установці рідкісних ізотопів
Спочатку GRETA зібрали частково в Національній лабораторії Лоуренса Берклі (Lawrence Berkeley National Laboratory), яка керує проєктом. Після цього систему перевезли до установки рідкісних ізотопів FRIB при Університеті штату Мічиган, де її повністю змонтували та підключили до експериментальної інфраструктури.
FRIB дозволяє створювати короткоживучі рідкісні ізотопи: пучки важких іонів з високою енергією спрямовують на мішень, утворюючи ядра, які існують мить і швидко розпадаються. Повертаючись до стабільніших станів, ці ядра випромінюють гамма-промені — саме те, що реєструє GRETA.
Під час комісійних випробувань на лінії ReAccelerator науковці та інженери інтегрували GRETA в експериментальний тракт, відкалібрували всі системи масиву та зібрали дані для перевірки роботи детектора. На етапі характеристизації вони зіштовхували два легші ядра, утворюючи збуджені ядра, які багаторазово розпадалися, випромінюючи цілі каскади гамма-променів.
Аналізуючи, наскільки добре GRETA «бачить» найслабші гамма-переходи, команда порівнює його ефективність з попередніми масивами детекторів. За словами дослідників, дані виявилися «фантастичними», хоча їх повний аналіз ще триває.
Що дозволить дізнатися новий детектор
Установка GRETA на FRIB відкриває шлях до серії нових експериментів. По-перше, вчені зможуть детальніше досліджувати, як саме «зібрані» ядра: скільки протонів і нейтронів вони здатні втримати і як змінюють форму та властивості в екстремальних умовах.
По-друге, GRETA допоможе розібратися, як у зорях формуються елементи важчі за залізо. Це складний ланцюжок ядерних реакцій, у яких проміжні ядра часто є дуже нестабільними. Спостереження їхніх гамма-випромінювань дає підказки, як саме йде цей процес у надрах зірок і під час вибухів наднових.
По-третє, завдяки надчутливості установки можна шукати тонкі асиметрії в законах природи, які, можливо, пояснять, чому наш Всесвіт складається переважно з матерії, а не з антиматерії. Такі ефекти дуже слабкі, але саме тому потужні інструменти на кшталт GRETA стають незамінними.
Отримані з GRETA вимірювання будуть покращувати теоретичні моделі атомного ядра. Ці моделі, своєю чергою, лежать в основі досліджень не лише в ядерній фізиці та астрофізиці, але й у галузях енергетики, медицини та національної безпеки.
Хто стоїть за створенням GRETA
Над GRETA роками працювала велика міжнародна команда. Вона об’єднала фахівців із підрозділів ядерної науки, інженерії та обчислень Національної лабораторії Лоуренса Берклі, установку FRIB в Університеті штату Мічиган, а також національні лабораторії Аргонн і Ок-Рідж.
Берkeley Lab, заснована ще 1931 року, спеціалізується на фундаментальних дослідженнях у галузях матеріалознавства, хімії, фізики, біології, наук про Землю та довкілля, математики й обчислень. На її базі працюють провідні наукові установки, до яких приїжджають дослідники з усього світу, а робота вчених лабораторії була відзначена численними Нобелівськими преміями.
Фінансування таких проєктів здійснюється через Офіс науки Міністерства енергетики США — найбільшого в країні спонсора базових досліджень у фізичних науках, який підтримує вирішення найгостріших сучасних наукових викликів.
FAQ
Це вже повноцінна робота GRETA чи лише тестовий етап?
Наразі GRETA пройшла етап приймання з пучком, пусконалагодження та характеристизації, тобто ключові системи випробувані і працюють відповідно до очікувань. Наступний крок — повноцінні наукові експерименти на FRIB з участю дослідників з усього світу.
Чим GRETA відрізняється від попередніх масивів гамма-детекторів?
Основна відмінність — у кількості та якості детекторів із високочистого германію, а також у здатності виявляти дуже слабкі гамма-переходи. Це дає змогу бачити тонку структуру ядра і порівнювати ефективність GRETA з найкращими попередніми системами.
Чому для цих досліджень важливі саме рідкісні ізотопи?
Рідкісні, часто дуже нестабільні ізотопи дозволяють «розтягнути» відому нам карту ядер далеко за межі стабільних елементів. Поведінка таких ядер у екстремальних умовах підказує, як саме працюють ядерні сили і як у Всесвіті виникають найважчі хімічні елементи.
Як результати з GRETA можуть вплинути на прикладні сфери?
Хоча GRETA орієнтована на фундаментальну науку, точні моделі ядра, які будуються на її даних, використовуються в енергетиці, медичній діагностиці й терапії, а також у завданнях національної безпеки. Краще розуміння ядра означає надійніші та безпечніші технології.
GRETA перетворює атомне ядро з «чорної скриньки» на об’єкт, який можна вивчати майже так само детально, як ми колись навчилися досліджувати атоми й молекули — і це нагадує, що навіть у вже знайомій матерії залишається безліч рівнів організації, про які ми лише починаємо дізнаватися.
Детектор GRETA показав невидимі досі деталі атомних ядер з’явилася спочатку на Цікавості.
