Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing - and -ray spectroscopy on pure isomeric beams
De CRIS Decay Spectroscopy Station bij ISOLDE-CERN is geüpgraded met een herontworpen vacuümcompatibele detectiekamer, een nieuw tapesysteem en een digitale DAQ om isomeer-selectieve - en -straalspectroscopie mogelijk te maken, wat succesvol is aangetoond door de volledige scheiding en efficiënte detectie van In-isomeren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep in het hart van de materie ligt de atoomkern, een dichte cluster van protonen en neutronen die elk element in het universum definieert. Terwijl sommige kernen stabiel zijn, zijn veel andere onstabiel, of radioactief, waarbij ze voortdurend van vorm veranderen en energie afstoten om een stabielere toestand te vinden. Wetenschappers bestuderen deze vluchtige momenten van verval om de fundamentele krachten te begrijpen die het universum bij elkaar houden. Een hardnekkige uitdaging in dit veld is echter de aanwezigheid van "isomeren". Dit zijn versies van hetzelfde atoom die hetzelfde aantal protonen en neutronen hebben, maar in verschillende energietoestanden zijn gerangschikt, vergelijkbaar met een gevouwen stuk papier versus een plat stuk papier. Vaak komen deze verschillende versies gemengd in een laboratorium terecht, waardoor het bijna onmogelijk is om te zien welke er vervalt en welke slechts achtergrondruis is. Om de ware aard van een specifieke kernstatus te zien, moeten onderzoekers deze met extreme precisie isoleren, een taak die lang een delicaat evenwicht tussen lasers en vacuümtechnologie vereiste.
De Europese organisatie voor nucleaire en deeltjesonderzoek, bekend als CERN, heeft onlangs een gespecialiseerde faciliteit genaamd de Decay Spectroscopy Station geüpgraded om dit probleem op te lossen. Deze station, gelegen bij de ISOLDE-faciliteit, is ontworpen om radioactieve atomen op te vangen terwijl ze worden gecreëerd en te bestuderen hoe ze uiteenvallen. De onderzoekers, geleid door een grote internationale samenwerking, hebben de station getransformeerd zodat deze kan werken met atoombundels die gezuiverd zijn om slechts één enkel type kernstatus te bevatten. Door gebruik te maken van een krachtige techniek genaamd collinear resonance ionization spectroscopy, kunnen zij lasers afstemmen om te interageren met alleen de specifieke energievingerafdruk van de atomen die zij willen bestuderen, waardoor alle ongewenste versies effectief worden weggefilterd. De nieuwe upgrades maken het mogelijk dat deze gezuiverde bundels worden geïmplanteerd op een bewegende tape, die de atomen na een korte tijd wegvoert van de detectoren, zodat de metingen niet worden gecontamineerd door de achterblijvende straling van voorgaande atomen.
Het fysieke hart van deze nieuwe capaciteit is een herontworpen detectiekamer. De onderzoekers vervingen een ouder ontwerp van roestvrij staal door een compacte, op maat gemaakte eenheid die kan werken in een ultrahoog vacuüm. In deze kamer installeerden zij een bewegend tapesysteem dat door het midden van een gespecialiseerde detector loopt. Deze detector is een op maat gemaakte plastic scintillator, een blok helder materiaal dat oplicht wanneer het door een deeltje wordt geraakt. Rondom deze centrale hub bevinden zich verschillende precisiedetectoren die in staat zijn om gammastraling waar te nemen, wat hoogenergetische pakketjes licht zijn die worden uitgezonden tijdens nucleair verval. De gehele opstelling is verbonden met een geavanceerd digitaal systeem dat het exacte moment registreert waarop een deeltje de plastic raakt en de precieze energie van de daaropvolgende gammastraling, waardoor het team het vervalproces met ongekende helderheid kan reconstrueren.
Om te testen of hun nieuwe machine werkte, voerde het team een experiment uit tijdens de inbedrijfstelling met bundels indium, een chemisch element dat in twee duidelijke vormen bestaat: een grondtoestand en een aangeslagen isomerische toestand. Deze twee vormen zijn berucht moeilijk te scheiden omdat hun energiesignaturen aanzienlijk overlappen. De onderzoekers stuurden een bundel indiumatomen de station in, waarbij zij hun lasers gebruikten om op elk moment slechts één van de twee vormen te selecteren. Terwijl de geselecteerde atomen op de bewegende tape landden, begonnen zij te vervallen. Het team observeerde dat de bewegende tape het radioactieve residu succesvol wegvoerde, waardoor de detectoren schoon bleven en klaar waren voor de volgende batch atomen. Zij maten de efficiëntie van hun nieuwe plastic detector en vonden dat deze ongeveer negentien procent van de bèta-deeltjes die tijdens het verval worden uitgezonden, succesvol opving, wat een aanzienlijke prestatie is voor een dergelijk compact apparaat.
Het meest opmerkelijke resultaat van het experiment was het vermogen om tussen de twee vormen van indium duidelijk te onderscheiden. Wanneer de lasers werden afgestemd op de grondtoestand, registreerden de detectoren een specifiek patroon van gammastraling dat alleen optrad wanneer die toestand aanwezig was. Wanneer de lasers werden afgestemd op de isomerische toestand, verscheen er een compleet andere set gammastraling, zonder signaal van de grondtoestand. Deze schone scheiding bewees dat het team nu in staat is om het verval van deze twee kernstatussen onafhankelijk van elkaar te bestuderen, iets wat voorheen onmogelijk was door de vermenging van signalen. De onderzoekers stelden vast dat het systeem de ongewenste achtergrondactiviteit met hoge efficiëntie kon verwijderen, wat een helder zicht op de kernstructuur mogelijk maakte.
Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in het onderzoek naar exotische kernen. Door laserzuivering te combineren met een bewegend tapesysteem en een nieuwe generatie detectoren, heeft het team een instrument gecreëerd dat kernstatussen kan isoleren en observeren met een zuiverheidsgraad die voorheen onbereikbaar was. Het succes van deze upgrade betekent dat wetenschappers nu de eigenschappen van kortlevende isotopen kunnen onderzoeken die ooit te gecontamineerd waren om te bestuderen. Het team plant om deze nieuwe capaciteit te gebruiken om de structuur van kernen nabij 78Ni te verkennen, specifiek 79Zn en 80Ge, wat hoop geeft op het werpen van licht op vormcoexistentie in deze regio. Het vermogen om deze statussen schoon te scheiden, opent de deur naar het beantwoorden van langlopende vragen over de vorm en het gedrag van atoomkernen, en biedt een helderder beeld van de bouwstenen van ons universum.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.