Forntida greker föreställde sig att allt i den naturliga världen kom från deras gudinna Physis; hennes namn är källan till ordet fysik. Dagens kärnfysiker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har skapat en egen GUDDESS-en detektor som ger inblick i astrofysiska kärnreaktioner som producerar elementen tyngre än väte (detta lättaste element skapades direkt efter Big Bang) .

Forskare utvecklade en toppmodern laddad partikeldetektor på ORNL kallad Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, eller ORRUBA, att studera reaktioner med strålar av astrofysiskt viktiga radioaktiva kärnor. Nyligen, dess kiseldetektorer uppgraderades och tätt packades för att förbereda den för att fungera tillsammans med stora germaniumbaserade gammastråldetektorer, som Gammasphere, och nästa generations gammastrålningsspårningsdetektorsystem, GRETINA. Resultatet är GUDDESS — Gammasphere/GRETINA ORRUBA:Dubbla detektorer för experimentella strukturstudier.

Med millimeter lägesupplösning, GUDDESS registrerar utsläpp från reaktioner som sker när energistrålar av radioaktiva kärnor får eller förlorar protoner och neutroner och avger gammastrålning eller laddade partiklar, som protoner, deuterons, tritoner, helium-3 eller alfa-partiklar.

"De laddade partiklarna i kiseldetektorerna berättar hur kärnan bildades, och gammastrålarna berättar för oss hur det förfallit, "förklarade Steven Pain från ORNL's Physics Division." Vi slår ihop de två uppsättningarna data och använder dem som om de vore en detektor för en fullständig bild av reaktionen. "

Tidigare i år, Smärta fick mer än 50 forskare från 12 institutioner i GUDDESS -experiment att förstå elementens kosmiska ursprung. Han är huvudutredare för två experiment och med-huvudutredare för ett tredje. Dataanalys av de komplexa experimenten förväntas ta två år.

"Nästan alla tunga stabila kärnor i universum skapas genom instabila kärnor som reagerar och sedan återgår till stabilitet, "Sa smärta.

Ett sekel av kärnkraftsöverföring

År 1911 var Ernest Rutherford förvånad över att observera att alfapartiklar - tunga och positivt laddade - ibland studsade bakåt. Han drog slutsatsen att de måste ha träffat något extremt tätt och positivt laddat - bara möjligt om nästan all atommassa var koncentrerad i dess centrum. Han hade upptäckt atomkärnan. Han fortsatte med att studera nukleonerna - protoner och neutroner - som utgör kärnan och som är omgivna av skal av kretsande elektroner.

Ett element kan förvandlas till ett annat när nukleoner fångas, utbytt eller utvisat. När detta händer i stjärnor, det kallas nukleosyntes. Rutherford snubblade över denna process i labbet genom ett avvikande resultat i en rad partikelspridande experiment. Den första artificiella kärnkrafttransmutationen reagerade kväve-14 med en alfapartikel för att skapa syre-17 och en proton. Prestationen publicerades 1919, sådd framsteg i den nyligen uppfunna molnkammaren, upptäckter om kortlivade kärnor (som utgör 90% av kärnorna), och experiment som fortsätter till denna dag som högsta prioritet för fysiken.

"För ett sekel sedan, den första kärnreaktionen av stabila isotoper drogs av mänskliga observatörer som räknade ljusglimtar med ett mikroskop, "noterade smärta, vem är Rutherfords "tipp-barnbarnsbarn" i akademisk mening:hans doktorsexamen avhandlingsrådgivare var Wilton Catford, vars rådgivare var Kenneth Allen, vars rådgivare var William Burcham, vars rådgivare var Rutherford. "I dag, avancerade detektorer som GUDDESS låter oss utforska, med stor känslighet, reaktioner från de svåråtkomliga instabila radioaktiva kärnorna som driver de astrofysiska explosionerna som genererar många av de stabila elementen runt oss. "

Förstå termonukleär flykt

Ett experiment Pain led fokuserade på fosfor-30, vilket är viktigt för att förstå vissa termonukleära flyktingar. "Vi vill förstå nukleosyntes i novaxplosioner - de vanligaste stjärnexplosionerna, "sa han. En nova förekommer i ett binärt system där en vit dvärg gravitationsmässigt drar väterikt material från en närliggande" följeslagare "-stjärna tills termonukleär flykt uppstår och den vita dvärgens ytskikt exploderar. Askan från dessa explosioner förändrar den kemiska sammansättningen av galaxen.

University of Tennessee doktorand Rajesh Ghimire analyserar data från fosforförsöket, som överförde en neutron från deuterium i ett mål till en intensiv stråle av den kortlivade radioaktiva isotopen fosfor-30. Partikel- och gammastråldetektorerna upptäckte vad som framkom, korrelerande tider, platser och energier för proton- och gammastrålproduktion.

Fosfor-30-kärnan påverkar starkt förhållandena för de flesta av de tyngre element som produceras under en nova-explosion. Om fosfor-30-reaktionerna förstås, elementförhållandena kan användas för att mäta topptemperaturen som noven nådde. "Det är en observerbar som någon med ett teleskop kunde se, "Sa smärta.

Upplysande skapande av tunga element

Det andra experimentet Pain led transmuterade en mycket tyngre isotop, tellur-134. "Denna kärna är involverad i den snabba neutronfångstprocessen, eller r -processen, vilket är så att halva grundämnena som är tyngre än järn bildas i universum, "Smärta relaterad. Det förekommer i en miljö med många fria neutroner - kanske supernovaer eller neutronstjärnfusioner." Vi vet att det händer, eftersom vi ser elementen runt omkring oss, men vi vet fortfarande inte exakt var och hur det sker. "

Att förstå r-processnukleosyntes kommer att vara en stor aktivitet vid Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), en användaranläggning för DOE Office of Science planerad att öppna vid Michigan State University (MSU) år 2022. FRIB möjliggör upptäckter om sällsynta isotoper, nukleär astrofysik och grundläggande interaktioner, och tillämpningar inom medicin, hemlandssäkerhet och industri.

"R -processen är en mycket, mycket komplicerat nätverk av reaktioner; många, många bitar går in i det, "Framhävd smärta." Du kan inte göra ett experiment och få svaret. "

Experimentet tellurium-134 börjar med radioaktivt kalifornium tillverkat vid ORNL och installerat vid Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), en DOE Office of Science användaranläggning vid Argonne National Laboratory. California fissions spontant, med tellur-134 bland produkterna. En stråle av tellur-134 accelereras till ett deuteriummål och absorberar en neutron, spottar ut en proton i processen. "Tellurium-134 kommer in, men tellur-135 går ut, "Smärtan sammanfattas.

"Vi upptäcker den protonen i kiseldetektorerna hos GODDESS. Tellurium-135 fortsätter längs strållinjen. Protonens energi och vinkel berättar om tellur-135 vi har skapat-det kan vara i dess grundläge eller i någon av ett antal upphetsade tillstånd. De upphetsade tillstånden förfaller genom att avge en gammastrål. " Germaniumdetektorerna avslöjar gammastrålarnas energi med en aldrig tidigare skådad upplösning för att visa hur kärnan förfallit. Sedan kommer kärnan in i en gasdetektor, skapa ett spår av joniserad gas från vilken de borttagna elektronerna samlas in. Genom att mäta energin som deponeras i olika regioner i detektorn kan forskare definitivt identifiera kärnan.

Rutgers doktorand Chad Ummel fokuserar på experimentets analys. Sa smärta, "Vi försöker förstå rollen för denna tellurium-134-kärna i r-processen på olika potentiella astrofysiska platser. Reaktionsflödet i detta nätverk av neutronfångningsreaktioner påverkar överflödet av de skapade elementen. Vi måste förstå detta nätverk för att förstå ursprunget till de tunga elementen. "

GUDINNAS framtid

Forskarna kommer att fortsätta utveckla utrustning och tekniker för aktuell användning av GODDESS på Argonne och MSU och framtida användning på FRIB, vilket ger oöverträffad tillgång till många instabila kärnor som för närvarande är utom räckhåll. Framtida experiment kommer att använda två strategier.

Man använder snabba strålar av kärnor som har fragmenterats till andra kärnor. Smärta liknar de olika kärnkraftsprodukterna med en hel zoo som rusar längs strålen i kaos. De snabbt rörliga kärnorna passerar genom en serie magneter som väljer önskade "zebror" och kasserar oönskade "giraffer, "" gnus "och" flodhästar. "

Det andra tillvägagångssättet stoppar jonerna med ett material, återjoniserar dem, accelererar sedan dem innan de radioaktivt kan förfalla. Förklarad smärta, "Det låter dig korralera alla zebror, lugna ner dem, ta sedan ordentligt ut dem i riktningen, hastighet och hastighet som du vill. "

Att tämja de element som gör planeter och människor möjliga - det är verkligen en fysikgudinnas domän.