EBS and in-beam $\gamma$-ray investigation of FCVA-prepared Cr$_2$O$_3$ targets for low-energy $^{16}$O+$^{16}$O fusion experiments

Diep in het binnenste van massieve sterren, lang nadat ze hun primaire brandstof hebben uitgeput, vindt een cruciale transformatie plaats. De kern, die nu rijk is aan zuurstof, bereikt temperaturen die zo extreem zijn dat zuurstofkernen tegen elkaar aan botsen. Dit proces, bekend als zuurstofverbranding, is een beslissend moment in het leven van een ster, dat bepaalt hoe deze evolueert en welke zwaardere elementen zij creëert voordat haar uiteindelijke ineenstorting plaatsvindt. Om deze kosmische alchemie te begrijpen, moeten wetenschappers precies weten hoe vaak deze zuurstofkernen met elkaar fuseren bij de specifieke, lage energieën die in stellaire binnenlichamen voorkomen. Het meten hiervan is echter ongelooflijk moeilijk. In een laboratorium neemt de waarschijnlijkheid dat twee zuurstofkernen fuseren zo scherp af naarmate de energie afneemt, dat het signaal bijna onzichtbaar wordt, begraven onder een zee van ruis van andere, meer voorkomende reacties. Om de zwakke gloed van de werkelijke fusiegebeurtenis te zien, hebben onderzoekers doelwitten nodig die gemaakt zijn van pure zuurstofverbindingen, voorbereid met een dergelijke precisie dat geen vreemde atomen de delicate meting verstoren.

Een team van onderzoekers heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type doelwitmateriaal voor deze experimenten te creëren en te testen. Ze richtten zich op chroomoxide, een vaste verbinding rijk aan zuurstof, die zij hebben voorbereid met behulp van een gespecialiseerde techniek genaamd gefilterde kathodische vacuümboogdepositie. Deze methode omvat het creëren van een stroom geladen chroomatomen en het leiden van deze door een magnetisch filter dat werkt als een zeef, waarbij grote, ongewenste druppels worden verwijderd en ervoor wordt gezorgd dat alleen een gladde, dichte film op een metalen basis neerdaalt. Het doel was om een laag chroomoxide te creëren die perfect uniform en vrij van contaminanten was, specif kind, koolstof, wat de primaire vijand is in deze experimenten met lage energie-fusie. Zelfs een minuscule hoeveelheid koolstof kan zijn eigen fusiereacties met de zuurstofstraal triggeren, waardoor gammastraling ontstaat die de signalen nabootst die wetenschappers proberen te vinden, wat leidt tot onjuiste conclusies over hoe vaak fusie voorkomt.

Om hun werk te verifiëren, onderwierpen het team hun nieuwe doelwitten aan rigoureuze tests. Eerst vuurden ze een protonenstraal op de chroomoxide-films en maten hoe de protonen terugkaatsten. Deze techniek, bekend als elastische terugverstrooiingsspectrometrie, stelde hen in staat om de atomen binnen de film met hoge precisie te tellen. Ze ontdekten dat de films opmerkelijk consistent waren, met een dikte en chemische balans die overeenkwam met hun verwachtingen. De zuurstofinhoud was hoog en uniform over het oppervlak, met een dichtheid van ongeveer 3,24 tot 3,25 maal tien tot de zeventiende atomen per vierkante centimeter. De verhouding tussen chroom en zuurstof lag ook zeer dicht bij de ideale chemische formule, wat suggereert dat de film goed gevormd was. De analyse onthulde echter ook een kleine maar meetbare hoeveelheid koolstof, ongeveer 1,25 tot 1,29 procent, die in de oxide-laag zelf was ingebed. Nog verrassender was dat ze een veel grotere concentratie koolstof vonden op het oppervlak van de metalen basis onder de film, een residu dat het reinigingsproces niet volledig had kunnen verwijderen.

De onderzoekers gingen vervolgens over naar de volgende fase van validatie, waarbij ze deze doelwitten in een straal van zuurstofionen plaatsten om te zien wat er gebeurde wanneer deze werden gebombardeerd met dezelfde deeltjes die in werkelijke fusie-experimenten worden gebruikt. Ze luisterden naar de specifieke flitsen van gammastraling die een succesvolle fusiegebeurtenis zouden aangeven. De resultaten waren een mix van succes en voorzichtigheid. De detectoren pikten duidelijk de unieke handtekeningen op van de zuurstof-zuurstof fusie-reactie, specifiek de gammastraling die wordt uitgezonden wanneer de resulterende kernen hun overtollige energie afstoten, wat bevestigt dat het fusieproces plaatsvindt en gemeten kan worden. De spectra werden echter gedomineerd door sterke signalen van aluminium en magnesium, die ontstaan wanneer de zuurstofstraal koolstofatomen raakt. Omdat de koolstofverontreiniging op de metalen basis zo aanzienlijk was, waren deze achtergrondsignalen intens, waardoor de specifieke gammastraling die zou komen van zuurstof die fuseert met koolstof om diezelfde elementen te vormen, effectief werd overstemd.

Deze studie toont aan dat de gefilterde kathodische vacuümboogtechniek een levensvatbare en krachtige methode is voor het creëren van hoogwaardige oxide-doelwitten voor de kernfysica. De geproduceerde films zijn dicht, uniform en chemisch stabiel, en bieden een solide fundament voor toekomstige experimenten. Toch benadrukt het werk ook een kritieke flessenhals: terwijl de film zelf schoon is, blijft het substraat waarop deze rust een bron van interferentie. De koolstofverontreiniging op de metalen basis is aanzienlijk genoeg om een achtergrond te genereren die de meting van bepaalde fusiepaden bemoeilijkt. De onderzoekers concluderen dat voor de volgende generatie experimenten, die erop gericht zijn het volledige bereik van fusie-reacties met maximale precisie in kaart te brengen, de focus moet verschuiven naar het nog verder zuiveren van de basismaterialen. Door de koolstof op het substraat te elimineren, kunnen wetenschappers eindelijk het zicht vrijmaken, waardoor ze de totale fusiesnelheid van zuurstofkernen kunnen meten zonder de schaduw van onzuiverheden, wat ons een stap dichter bij het begrijpen van de vurige harten van stervende sterren brengt.