Os gregos antigos imaginavam que tudo no mundo natural vinha de sua deusa Physis; seu nome é a fonte da palavra física. Os físicos nucleares atuais do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia criaram seu próprio DEUSA - um detector que fornece informações sobre as reações nucleares astrofísicas que produzem os elementos mais pesados ​​que o hidrogênio (este elemento mais leve foi criado logo após o Big Bang) .

Os pesquisadores desenvolveram um detector de partículas carregadas de última geração no ORNL chamado Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, ou ORRUBA, estudar reações com feixes de núcleos radioativos astrofisicamente importantes. Recentemente, seus detectores de silício foram atualizados e compactados para prepará-lo para funcionar em conjunto com grandes detectores de raios gama baseados em germânio, como Gammasphere, e o sistema detector de rastreamento de raios gama de última geração, GRETINA. O resultado é GODDESS — Gammasphere / GRETINA ORRUBA:detectores duplos para estudos de estrutura experimental.

Com resolução de posição milimétrica, GODDESS registra emissões de reações que ocorrem como feixes energéticos de núcleos radioativos ganham ou perdem prótons e nêutrons e emitem raios gama ou partículas carregadas, como prótons, deuterons, tritões, partículas de hélio-3 ou alfa.

"As partículas carregadas nos detectores de silício nos dizem como o núcleo foi formado, e os raios gama nos dizem como decaiu, "explicou Steven Pain, da Divisão de Física do ORNL." Nós mesclamos os dois conjuntos de dados e os usamos como se fossem um detector para uma imagem completa da reação. "

No início deste ano, Pain levou mais de 50 cientistas de 12 instituições em experimentos GODDESS a entender as origens cósmicas dos elementos. Ele é o principal investigador de dois experimentos e co-investigador principal de um terceiro. A análise dos dados dos experimentos complexos deve levar dois anos.

"Quase todos os núcleos estáveis ​​pesados ​​no universo são criados por meio de núcleos instáveis ​​que reagem e depois voltam à estabilidade, "Dor disse.

Um século de transmutação nuclear

Em 1911, Ernest Rutherford ficou surpreso ao observar que as partículas alfa - pesadas e com carga positiva - às vezes saltavam para trás. Ele concluiu que eles devem ter atingido algo extremamente denso e com carga positiva - possível apenas se quase toda a massa de um átomo estivesse concentrada em seu centro. Ele havia descoberto o núcleo atômico. Ele passou a estudar os núcleons - prótons e nêutrons - que constituem o núcleo e que são cercados por camadas de elétrons em órbita.

Um elemento pode se transformar em outro quando os núcleons são capturados, trocados ou expulsos. Quando isso acontece nas estrelas, é chamado de nucleossíntese. Rutherford topou com esse processo no laboratório por meio de um resultado anômalo em uma série de experimentos de espalhamento de partículas. A primeira transmutação nuclear artificial fez reagir o nitrogênio-14 com uma partícula alfa para criar o oxigênio-17 e um próton. O feito foi publicado em 1919, semeando avanços na recém-inventada câmara de nuvens, descobertas sobre núcleos de vida curta (que constituem 90% dos núcleos), e experimentos que continuam até hoje como uma das principais prioridades da física.

"Um século atrás, a primeira reação nuclear de isótopos estáveis ​​foi inferida por observadores humanos contando flashes de luz com um microscópio, "observou Pain, quem é o "tataraneto" de Rutherford em um sentido acadêmico:seu doutorado. o orientador da tese foi Wilton Catford, cujo conselheiro foi Kenneth Allen, cujo conselheiro foi William Burcham, cujo conselheiro foi Rutherford. "Hoje, detectores avançados como o GODDESS nos permitem explorar, com grande sensibilidade, reações dos núcleos radioativos instáveis ​​de difícil acesso que impulsionam as explosões astrofísicas que geram muitos dos elementos estáveis ​​ao nosso redor. "

Compreendendo a fuga termonuclear

Um experimento conduzido por Pain com foco no fósforo-30, o que é importante para a compreensão de certas fugas termonucleares. "Estamos procurando entender a nucleossíntese em explosões de Nova - as explosões estelares mais comuns, ", disse ele. Uma nova ocorre em um sistema binário no qual uma anã branca puxa gravitacionalmente material rico em hidrogênio de uma estrela" companheira "próxima até que ocorra a fuga termonuclear e a camada superficial da anã branca exploda. As cinzas dessas explosões mudam a composição química da galáxia.

O estudante de graduação da Universidade do Tennessee, Rajesh Ghimire, está analisando os dados do experimento com fósforo, que transferiu um nêutron de deutério em um alvo para um feixe intenso do isótopo radioativo de fósforo-30 de curta duração. Os detectores de partículas e raios gama detectaram o que emergiu, correlacionando tempos, locais e energias de produção de prótons e raios gama.

O núcleo de fósforo-30 afeta fortemente as proporções da maioria dos elementos mais pesados ​​produzidos durante uma explosão de nova. Se as reações do fósforo-30 forem compreendidas, as proporções elementares podem ser usadas para medir a temperatura de pico que a nova atingiu. "É um observável que alguém com um telescópio pode ver, "Dor disse.

Iluminando a criação de elementos pesados

O segundo experimento conduzido por Pain transmutou um isótopo muito mais pesado, telúrio-134. "Este núcleo está envolvido no processo de captura rápida de nêutrons, ou processo r, que é a maneira que metade dos elementos mais pesados ​​que o ferro são formados no universo, "Relacionada à dor. Ocorre em um ambiente com muitos nêutrons livres - talvez supernovas ou fusões de estrelas de nêutrons." porque vemos os elementos ao nosso redor, mas ainda não sabemos exatamente onde e como isso ocorre. "

Compreender a nucleossíntese do processo r será uma atividade importante na Instalação para Feixes de Isótopos Raros (FRIB), uma instalação de usuário do DOE Office of Science programada para abrir na Michigan State University (MSU) em 2022. O FRIB possibilitará descobertas sobre isótopos raros, astrofísica nuclear e interações fundamentais, e aplicações na medicina, segurança interna e indústria.

"O processo r é muito, rede muito complicada de reações; muitos, muitas peças vão para ele, "Pain enfatizou." Você não pode fazer um experimento e ter a resposta. "

O experimento com telúrio-134 começa com califórnio radioativo feito em ORNL e instalado no Sistema Acelerador Linear Tandem de Argonne (ATLAS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Argonne National Laboratory. O califórnio fissiona espontaneamente, com telúrio-134 entre os produtos. Um feixe de telúrio-134 é acelerado em um alvo de deutério e absorve um nêutron, cuspindo um próton no processo. "O telúrio-134 entra, mas o telúrio-135 sai, "Dor resumida.

"Nós detectamos esse próton nos detectores de silício do GODDESS. O telúrio-135 continua na linha do feixe. A energia e o ângulo do próton nos falam sobre o telúrio-135 que criamos - ele pode estar em seu estado fundamental ou em qualquer um de uma série de estados excitados. Os estados excitados decaem pela emissão de um raio gama. " Os detectores de germânio revelam a energia dos raios gama com resolução sem precedentes para mostrar como o núcleo decaiu. Em seguida, o núcleo entra em um detector de gás, criando uma trilha de gás ionizado a partir da qual os elétrons removidos são coletados. Medir a energia depositada em diferentes regiões do detector permite que os pesquisadores identifiquem definitivamente o núcleo.

O aluno de graduação da Rutgers, Chad Ummel, está se concentrando na análise do experimento. Dito Pain, "Estamos tentando entender o papel desse núcleo de telúrio-134 no processo r em diferentes locais astrofísicos potenciais. O fluxo de reação nesta rede de reações de captura de nêutrons afeta a abundância dos elementos criados. Precisamos entender essa rede para entender a origem dos elementos pesados. "

Futuro da GODDESS

Os pesquisadores continuarão a desenvolver equipamentos e técnicas para o uso atual do GODDESS em Argonne e MSU e uso futuro na FRIB, que dará acesso sem precedentes a muitos núcleos instáveis ​​atualmente fora de alcance. Experimentos futuros empregarão duas estratégias.

Um usa feixes rápidos de núcleos que foram fragmentados em outros núcleos. Pain compara os diversos produtos nucleares a um zoológico inteiro caindo na linha do feixe no caos. Os núcleos que se movem rapidamente passam por uma série de ímãs que selecionam as "zebras" desejadas e descartam as "girafas indesejadas, "" gnus "e" hipopótamos ".

A outra abordagem interrompe os íons com um material, os re-ioniza, em seguida, os reacelera antes que possam decair radioativamente. Dor explicada, "Isso permite que você encurrale todas as zebras, acalme-os, em seguida, leve-os na direção, taxa e velocidade que você deseja. "

Domesticar os elementos que tornam os planetas e as pessoas possíveis - esse é realmente o domínio de uma DEUSA da física.