Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing - and -ray spectroscopy on pure isomeric beams
La stazione di spettroscopia del decadimento CRIS presso ISOLDE-CERN è stata aggiornata con una camera di rilevamento compatibile con il vuoto ridisegnata, un nuovo sistema a nastro e un sistema di acquisizione dati (DAQ) digitale per consentire la spettroscopia e selettiva per gli isomeri, dimostrata con successo dalla completa separazione e dal rilevamento efficiente degli isomeri In.
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Nel cuore profondo della materia giace il nucleo atomico, un denso ammasso di protoni e neutroni che definisce ogni elemento dell'universo. Mentre alcuni nuclei sono stabili, molti sono instabili, o radioattivi, in costante mutamento e rilascio di energia per trovare uno stato più confortevole. Gli scienziati studiano questi fugaci momenti di decadimento per comprendere le forze fondamentali che tengono insieme l'universo. Tuttavia, una sfida persistente in questo campo è la presenza di "isomeri". Questi sono versioni dello stesso atomo che hanno lo stesso numero di protoni e neutroni, ma sono disposti in diversi stati energetici, proprio come un foglio di carta piegato rispetto a uno piatto. Spesso, queste diverse versioni arrivano in un laboratorio mescolate insieme, rendendo quasi impossibile capire quale stia decadendo e quale sia solo rumore di fondo. Per vedere la vera natura di un particolare stato nucleare, i ricercatori devono isolarlo con estrema precisione, un compito che da tempo richiede un delicato equilibrio di laser e tecnologia del vuoto.
Presso l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, nota come CERN, un team di scienziati ha recentemente aggiornato una struttura specializzata chiamata Decay Spectroscopy Station per risolvere questo problema. Situata presso la struttura ISOLDE, questa stazione è progettata per catturare gli atomi radioattivi mentre vengono creati e studiare come si frammentano. I ricercatori, guidati da una grande collaborazione internazionale, hanno trasformato la stazione per farla lavorare con fasci di atomi che sono purificati per contenere un unico tipo di stato nucleare. Utilizzando una potente tecnica chiamata spettroscopia di ionizzazione per risonanza collineare, possono sintonizzare i laser per interagire solo con l'impronta energetica specifica degli atomi che vogliono studiare, filtrando efficacemente tutte le versioni indesiderate. I nuovi aggiornamenti consentono a questi fasci purificati di essere impiantati su un nastro mobile, che trasporta gli atomi lontano dai rivelatori dopo un breve periodo, assicurando che le misurazioni non siano contaminate dalla radiazione residua degli atomi precedenti.
Il cuore fisico di questa nuova capacità è una camera di rivelazione ridisegnata. I ricercatori hanno sostituito un vecchio design in acciaio inossidabile con un'unità compatta e realizzata su misura che può operare in un vuoto ultra-elevato. All'interno di questa camera, hanno installato un sistema a nastro mobile che scorre attraverso il centro di un rivelatore specializzato. Questo rivelatore è uno scintillatore plastico personalizzato, un blocco di materiale trasparente che emette lampi di luce quando viene colpito da una particella. Circondando questo nucleo centrale, si trovano diversi rivelatori ad alta precisione in grado di percepire i raggi gamma, che sono pacchetti di luce ad alta energia emessi durante il decadimento nucleare. L'intero apparato è collegato a un sofisticato sistema digitale che registra l'istante esatto in cui una particella colpisce la plastica e l'energia precisa dei raggi gamma che seguono, permettendo al team di ricostruire il processo di decadimento con una chiarezza senza precedenti.
Per testare se la loro nuova macchina funzionasse, il team ha condotto un esperimento di messa in servizio utilizzando fasci di indio, un elemento chimico che esiste in due forme distinte: uno stato fondamentale e uno stato isomerico eccitato. Queste due forme sono notoriamente difficili da separare perché le loro firme energetiche si sovrappongono significativamente. I ricercatori hanno indirizzato un fascio di atomi di indio nella stazione, usando i loro laser per selezionare solo una delle due forme alla volta. Mentre gli atomi selezionati atterravano sul nastro mobile, iniziavano a decadere. Il team ha osservato che il nastro mobile trasportava con successo i residui radioattivi, lasciando i rivelatori puliti e pronti per il lotto successivo di atomi. Hanno misurato l'efficienza del loro nuovo rivelatore plastico, scoprendo che catturava con successo circa il diciannove percento delle particelle beta emesse durante il decadimento, un traguardo significativo per un dispositivo così compatto.
Il risultato più sorprendente dell'esperimento è stata la capacità di distinguere chiaramente tra le due forme di indio. Quando i laser erano sintonizzati sullo stato fondamentale, i rivelatori registravano un particolare schema di raggi gamma che appariva solo quando quello stato era presente. Quando i laser erano sintonizzati sullo stato isometrico, appariva un set completamente diverso di raggi gamma, senza alcun segnale dallo stato fondamentale. Questa netta separazione ha dimostrato che il team poteva ora studiare il decadimento di questi due stati nucleari indipendentemente, qualcosa che era precedentemente impossibile a causa della miscelazione dei segnali. I ricercatori hanno determinato che il sistema poteva rimuovere l'attività di fondo indesiderata con alta efficienza, permettendo una visione chiara della struttura nucleare.
Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nello studio dei nuclei esotici. Combinando la purificazione laser con un sistema a nastro mobile e una nuova generazione di rivelatori, il team ha creato uno strumento in grado di isolare e osservare gli stati nucleari con un livello di purezza che prima era fuori portata. Il successo di questo aggiornamento significa che gli scienziati possono ora investigare le proprietà di isotopi a vita breve che un tempo erano troppo contaminati per essere studiati. Il team prevede di utilizzare questa nuova capacità per esplorare la struttura dei nuclei vicino al 78Ni, specificamente il 79Zn e l'80Ge, il che spera di fare luce sulla coesistenza di forme in questa regione. La capacità di separare questi stati in modo pulito apre la porta al rispondere a quesiti di lunga data sulla forma e il comportamento dei nuclei atomici, fornendo un quadro più chiaro dei mattoni fondamentali del nostro universo.
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