Por primera vez, los físicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y sus colaboradores, dirigidos por un equipo del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., Demostraron un efecto nuclear teorizado desde hace mucho tiempo. Este avance prueba modelos teóricos que describencómo interactúan los reinos nuclear y atómico y también pueden proporcionar nuevas ideas sobre cómo se crean los elementos estelares.
Los físicos predijeron por primera vez el efecto, llamado excitación nuclear por captura de electrones NEEC, hace más de 40 años. Pero los científicos no lo habían visto hasta ahora. Usando el sistema acelerador de linac en tándem Argonne ATLAS y Gammasphere, un poderoso rayo gammaespectrómetro, los investigadores crearon las condiciones adecuadas para causar y detectar el comportamiento.
"Pudimos identificar alrededor de 500 rayos gamma que se emitieron durante la descomposición de 93 Mo que no se hubiera lanzado si no fuera por NEEC. "- Mike Carpenter, líder del grupo en Argonne a cargo de Gammasphere
El efecto NEEC ocurre cuando un átomo cargado captura un electrón, lo que le da al núcleo del átomo suficiente energía para saltar a un estado excitado más alto.
Un núcleo excitado permanece en cada estado de energía por un tiempo antes de descomponerse en el estado debajo de él, arrojando energía en forma de rayos gamma. Estos estados excitados generalmente duran mucho menos de una billonésima de segundo, pero en algunos casos raros, pueden vivir mucho más, incluso millones de veces la edad del universo.
Los estados de energía de vida más larga se llaman isómeros, y para observar el efecto NEEC, los investigadores produjeron un isómero con una vida media de aproximadamente siete horas. En otras palabras, después de siete horas de existir en el nivel de energía isomérica, aproximadamentela mitad de los núcleos de este tipo se descompondrán.
Los científicos decidieron producir este núcleo, llamado 93 Mo, un isótopo de molibdeno, debido a su disposición única de los niveles de energía. "Hay un nivel de energía permitido no muy por encima del estado de los isómeros", dijo Chris Chiara del Laboratorio de Investigación del Ejército, el científico principal del estudio. "En circunstancias normales, el isómero se descompondrá naturalmente después de aproximadamente siete horas, pero si ocurre NEEC, el núcleo se excita fuera del isómero al estado ligeramente más alto. Ese estado luego se descompone rápidamente a un estado por debajo del isómero, emitiendo rayos gamma que tienen energías distintas quepodemos buscar "
Para hacer 93 Mo, los investigadores utilizaron ATLAS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, para acelerar un haz de iones hacia los átomos en una lámina de destino donde los núcleos de los dos se fusionaron. Estas reacciones se formaron 93 Mo en un estado muy excitado en el centro de Gammasphere, que esperó para detectar evidencia del efecto en forma de rayos gamma.
como el 93 Los átomos de Mo se mueven a través del material objetivo, se topan con átomos que los ralentizan y los despojan de electrones, colocándolos en un estado de alta carga. Los electrones de los átomos objetivo luego llenan esas vacantes en el 93 Mo, y si los electrones tienen la energía correcta antes de la captura, pueden excitar el núcleo al siguiente estado más alto. Cuando este estado decae, el núcleo libera un rayo gamma que puede rastrearse hasta la reacción NEEC.
El objetivo, realizado por el creador de objetivos interno de ATLAS, John Greene, desempeñó un papel crucial en la detección de NEEC. Greene pudo trabajar sobre la marcha, ajustando el objetivo a medida que los científicos aprendieron más sobre el 93 núcleo de Mo. Con todo en su lugar, el equipo comenzó a recopilar datos.
"Detectamos rayos gamma a partir de estas reacciones en el transcurso del experimento de tres días, y acumulamos alrededor de ocho mil millones de eventos en total", dijo Mike Carpenter, líder del grupo en Argonne a cargo de Gammasphere ". De estos eventos,pudimos identificar alrededor de 500 rayos gamma que se emitieron durante la descomposición de 93 Mo que no se hubiera lanzado si no fuera por NEEC "
El poder y la sensibilidad de Gammasphere fueron vitales para el éxito del experimento. "Hicimos uso de un nuevo modo digital de Gammasphere, que nos permitió correr a una velocidad aproximadamente cinco veces mayor de lo que hubiera sido posible con el sistema analógico anterior".dijo Chiara. Pero lo importante no era solo el hardware de ATLAS. "Como expertos en el campo de la espectroscopía de rayos gamma, el personal de Argonne brindó un inestimable apoyo científico y técnico", agregó.
El éxito del equipo puede conducir a avances en astronomía y cosmología, ya que podría mejorar la precisión de los modelos que los científicos usan para medir cómo se forman las estrellas. Las cantidades de elementos en una estrella dependen en gran medida de la estructura y el comportamiento de los núcleos. Durante largos períodos,y con la gran cantidad de átomos que interactúan, la supervivencia o destrucción de isómeros específicos puede tener una influencia acumulativa. Tener en cuenta el efecto NEEC podría mejorar nuestra comprensión de qué están hechas las estrellas y cómo evolucionan.
Los científicos del Laboratorio de Investigación del Ejército también están interesados en posibles aplicaciones futuras para la liberación controlada de energía nuclear de los isómeros a través del efecto NEEC. Si los científicos e ingenieros pudieran aprovechar esta energía, podría ayudar a desarrollar fuentes de energía con una energía 100,000 veces mayor porunidad de masa que las baterías químicas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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