Många tunga element, som guld, tros bildas i kosmiska miljöer rika på neutroner - tänk supernovor eller sammanslagningar av neutronstjärnor. I dessa extrema miljöer, atomkärnor kan snabbt fånga neutroner och bli tyngre, skapa nya element. Längst ut på kärnkraftsdiagrammet, som ordnar alla kända kärnor efter deras antal protoner och neutroner, ligger outforskade kärnor som är avgörande för att förstå detaljerna i denna snabba neutroninfångningsprocess. Detta är särskilt fallet för kärnor med färre än 82 protoner och fler än 126 neutroner.

Forskare som använder CERN:s kärnfysikanläggning ISOLDE har nu tagit sig in i denna nästan okända region av kärnkraftsdiagrammet med en första studie av neutronstrukturen hos kvicksilverisotopen ²⁰⁷ Hg. Denna isotop är inte direkt involverad i den snabba neutroninfångningsprocessen, eller "r-process, " men det är en relativt nära granne till r-process kärnor som ligger i denna nästan outforskade region. Som sådan, ²⁰⁷ Hg kan hjälpa till att avslöja några av kärnhemligheterna hos r-processkärnor och därmed belysa ursprunget till tunga grundämnen.

Att studera neutronstrukturen hos ²⁰⁷ Hg, forskarna först tog ²⁰⁶ Hg-isotoper som producerades tillsammans med hundratals andra exotiska isotoper vid ISOLDE genom att avfyra en 1,4 miljarder elektronvolts protonstråle från Proton Synchrotron Booster mot ett smält blymål. De ²⁰⁶ Hg isotoper, som har en neutron färre i kärnan än ²⁰⁷ Hg, accelererades sedan i anläggningens HIE-ISOLDE-accelerator till en energi på cirka 1,52 miljarder elektronvolt – den högsta energin som någonsin uppnåtts vid HIE-ISOLDE. Forskarna fokuserade sedan på ²⁰⁶ Hg-isotoper vid ett deuteriummål inuti ISOLDE-solenoidalspektrometern (ISS), en nyutvecklad magnetspektrometer som kunde avslöja händelser där ²⁰⁶ Hg-isotoper fångade en neutron och förvandlades till exciterade ²⁰⁷ Hg isotoper.

Från analysen av dessa händelser, forskarna bestämde bindningsenergierna för de kärnorbitaler i vilka neutronen fångas, det är, i vilken grad den infångade neutronen är bunden till de andra neutronerna och protonerna. De matade sedan in dessa resultat i teoretiska modeller av r-processen för att testa och utmana dessa modeller.

"Detta resultat markerar den första utforskningen av neutronstrukturen ²⁰⁷ Hg kärna, banar väg för framtida experimentella studier, med ISS-instrumentet vid ISOLDE och vid nästa generations kärnfysikanläggningar, av den nästan okända kärnkraftsregionen där ²⁰⁷ Hg ljuger, " säger chefsutredaren Ben Kay från Argonne National Laboratory, där tekniken som ligger till grund för ISS var banbrytande.

"Denna studie var möjlig tack vare tre saker:det färdiga HIE-ISOLDE acceleratorsystemet, som nu tillåter att radioaktiva isotoper accelereras till energier nära 10 miljoner elektronvolt per proton eller neutron; installationen av ISS, en före detta magnet för magnetröntgen som återanvänts för studier av exotiska kärnor genom ett samarbete från Storbritannien, Belgien och CERN; och, sist men inte minst, ett partikeldetektorsystem som levererades av Argonne National Laboratory och gjorde att experimentet kunde utföras strax före början av den pågående avstängningen av CERNs acceleratorkomplex, " förklarade ISOLDE talesman Gerda Neyens.