Ett långvarigt mysterium inom kärnfysiken är varför universum består av de specifika material vi ser runt oss. Med andra ord, varför är den gjord av "det här" och inte andra saker?

Speciellt av intresse är de fysiska processer som är ansvariga för att producera tunga element - som guld, platina och uran - som man tror kommer att hända under sammanslagning av neutronstjärnor och explosiva stjärnhändelser.

Forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory ledde ett internationellt kärnfysiska experiment som genomfördes vid CERN, Europeiska organisationen för kärnforskning, som använder nya tekniker som utvecklats vid Argonne för att studera naturen och ursprunget för tunga element i universum. Studien kan ge kritisk inblick i de processer som arbetar tillsammans för att skapa de exotiska kärnorna, och det kommer att informera modeller om stjärnhändelser och det tidiga universum.

Kärnfysikerna i samarbetet är de första som observerar neutronskalstrukturen i en kärna med färre protoner än bly och mer än 126 neutroner-"magiska tal" inom kärnfysikens område.

Vid dessa magiska siffror, varav 8, 20, 28, 50 och 126 är kanoniska värden, kärnor har förbättrad stabilitet, ungefär som ädelgaserna gör med slutna elektronskal. Kärnor med neutroner över det magiska antalet 126 är i stort sett outforskade eftersom de är svåra att producera. Kunskap om deras beteende är avgörande för att förstå den snabba neutronfångstprocessen, eller r -bearbeta, som producerar många av de tunga elementen i universum.

De r -processen antas inträffa under extrema stjärnförhållanden som neutronstjärnfusioner eller supernovor. Dessa neutronrika miljöer är där kärnor snabbt kan växa, fånga neutroner för att producera nya och tyngre element innan de har chans att förfalla.

Detta experiment fokuserade på kvicksilverisotopen ²⁰⁷ Hg. Studiet av ²⁰⁷ Hg kunde belysa egenskaperna hos sina nära grannar, kärnor direkt involverade i nyckelaspekter av r -bearbeta.

"En av de största frågorna under detta århundrade har varit hur grundämnena bildades i början av universum, "sa Argonne -fysikern Ben Kay, ledande forskare på studien. "Det är svårt att forska eftersom vi inte bara kan gräva upp en supernova ur jorden, så vi måste skapa dessa extrema miljöer och studera de reaktioner som uppstår i dem. "

Att studera strukturen på ²⁰⁷ Hg, forskarna använde först HIE-ISOLDE-anläggningen vid CERN i Genève, Schweiz. En högenergistråle av protoner avfyrades mot ett smält blymål, med de resulterande kollisionerna som producerar hundratals exotiska och radioaktiva isotoper.

De separerade sedan ²⁰⁶ Hg-kärnor från de andra fragmenten och använde CERNs HIE-ISOLDE-accelerator för att skapa en stråle av kärnorna med den högsta energin som någonsin uppnåtts vid den acceleratoranläggningen. De fokuserade sedan strålen på ett deuteriummål inuti den nya ISOLDE Solenoidal Spectrometer (ISS).

"Ingen annan anläggning kan göra kvicksilverstrålar av denna massa och påskynda dem till dessa energier, "sa Kay." Det här, i kombination med ISS enastående upplösningskraft, tillät oss att observera spektrumet av upphetsade tillstånd i ²⁰⁷ Hg för första gången. "

ISS är en nyutvecklad magnetisk spektrometer som kärnfysikerna använde för att upptäcka instanser av ²⁰⁶ Hg -kärnor fånga en neutron och bli ²⁰⁷ Hg. Spektrometerns magnetiska magnet är en återvunnen 4-Tesla superledande MR-magnet från ett sjukhus i Australien. Den flyttades till CERN och installerades på ISOLDE, tack vare ett brittiskt ledt samarbete mellan University of Liverpool, University of Manchester, Daresbury Laboratory och medarbetare från KU Leuven i Belgien.

Deuterium, en sällsynt tung isotop av väte, består av en proton och neutron. När ²⁰⁶ Hg fångar en neutron från deuteriummålet, protonen viker tillbaka. Protonerna som avges under dessa reaktioner färdas till detektorn i ISS, och deras energi och position ger viktig information om kärnans struktur och hur den är bunden. Dessa fastigheter har en betydande inverkan på r -bearbeta, och resultaten kan informera viktiga beräkningar i modeller av kärn astrofysik.

ISS använder ett banbrytande koncept som föreslogs av Argonne framstående kollega John Schiffer som byggdes som laboratoriets spiralformade orbitalspektrometer, HELIOS - instrumentet som inspirerade utvecklingen av ISS -spektrometern. HELIOS har tillåtit utforskning av kärnkraftsegenskaper som en gång var omöjliga att studera, men tack vare HELIOS, har utförts i Argonne sedan 2008. CERNs ISOLDE -anläggning kan producera strålar av kärnor som kompletterar dem som kan tillverkas i Argonne.

Under det senaste århundradet har kärnfysiker har kunnat samla information om kärnor från studiet av kollisioner där ljusjonstrålar träffar tunga mål. Dock, när tunga balkar träffar lätta mål, kollisionens fysik blir förvrängd och svårare att analysera. Argonnes HELIOS -koncept var lösningen för att ta bort denna snedvridning.

"När du har en kanonkula av en stråle som träffar ett bräckligt mål, kinematiken förändras, och de resulterande spektren komprimeras, "sa Kay." Men John Schiffer insåg att när kollisionen inträffar inuti en magnet, de avgivna protonerna rör sig i ett spiralmönster mot detektorn, och med ett matematiskt 'trick', detta utvecklar den kinematiska komprimeringen, vilket resulterar i ett okomprimerat spektrum som avslöjar den underliggande kärnstrukturen. "

De första analyserna av data från CERN -experimentet bekräftar de teoretiska förutsägelserna av nuvarande kärnmodeller, och teamet planerar att studera andra kärnor i regionen ²⁰⁷ Hg med dessa nya funktioner, ge djupare insikter i de okända områdena i kärnfysiken och r -bearbeta.

Resultaten av denna studie publicerades i en artikel med titeln "First exploration of neutron shell structure below lead and beyond N =126" on February 13 in the Fysiska granskningsbrev .