בתוך הילה של פרוטון: מדידות מדויקות פתחו חידות גרעיניות

פיזיקאים וניסויים תיאורטיים השיקו מדידות דיוק על אלומיניום-22 כדי לחקור את הילת הפרוטון שלו, תוך שילוב מחקר מתקדם עם מעורבות סטודנטים בפיזיקה גרעינית.

במאי 2022, הושקה תוכנית מדידה מדויקת על ידי המתקן לקורות איזוטופים נדירים (FRIB) באוניברסיטת מישיגן סטייט (MSU). צוות מתקן אלומת אנרגיה נמוכה ומלכודת יונים (LEBIT) של FRIB לוקחים קרני איזוטופים באנרגיה גבוהה, נדירים שנוצרו ב-FRIB ומקררים אותן למצב אנרגיה נמוך יותר. לאחר מכן, החוקרים מודדים מסות של חלקיקים ספציפיים בדיוק גבוה.

צוות LEBIT, בראשות ריאן רינגל, פרופסור עזר לפיזיקה ב-FRIB ובמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של MSU ומדען בכיר ב-FRIB, וגיאורג בולן, פרופסור מכובד לפיזיקה באוניברסיטה ומנהל חטיבת מערכות ניסוי של FRIB, פרסמו לאחרונה מחקר נייר שהשתמש במתקן כדי לבצע צעד באימות המסה של אלומיניום-22. חוקרים חושבים שהאיזוטופ האקזוטי הזה מדגים תכונה נדירה אך מעניינת – ספציפית, שהגרעין מוקף ב"הילה" של פרוטונים המקיפים את הגרעין באופן רופף. מבנה הילה זה חושף תכונות פיזיקליות ייחודיות במהלך קיומו החולף.

"תוכנית זו דורשת הרבה הכנת קרן נוספת כדי לבצע ניסויים, וזו המדידה הראשונה בתוכנית המדעית של FRIB," אמר Ringle. "מדידה זו לא הייתה יכולה להתבצע בזמן סביר בקודמתה של FRIB, מעבדת ה-National Superconducting Cyclotron, והיא מדגישה את הפוטנציאל של המתקן שלנו להתקדם. בהתחשב בכך שזה נעשה עם שמונים ממפרט ההספק של FRIB, זה היה כמו חימום לפני אימון".

הצוות פרסם את תוצאותיו ב מכתבי סקירה פיזית ("מדידת מסה מדויקת של Proton Dripline Halo Candidate ²²אל").

לכידת הילות פרוטון חמקמקות

בעוד שלרוב האטומים יש אלקטרונים המקיפים את הגרעין בחוזקה, פרוטונים וניוטרונים הם חלק מהגרעין עצמו. עם זאת, כאשר אטומים פוגשים רבים מאותם חלקיקים טעונים בתנאים מסוימים, הם יכולים ליצור הילות המקיפות את הגרעין מעבר למשיכת הכוח הגרעיני החזק – הכוח שבדרך כלל ישמור את החלקיקים הללו בתוך הגרעין. בעוד שכל מבני ההילה הם תופעות חולפות נדירות, נייטרונים נצפים בדרך כלל כחלקיקי הילה. מטען חיובי של גרעין בדרך כלל דוחה את המטענים החיוביים של פרוטונים, כלומר הילות העשויות מפרוטונים נדירות אף יותר. מדידות על איזוטופים סמוכים הצביעו על כך שאלומיניום-22 עשוי להיות איזוטופ שיכול ליצור הילה פרוטונים, אבל החוקרים היו צריכים לאמת זאת ישירות בניסויים אחרים.

כדי להשיג זאת, הצוות יוצר קרן איזוטופ באנרגיה גבוהה מאלומיניום-22 תוך שימוש בתהליך שנקרא "פיצול קליעים" ב-FRIB. החוקרים יוצרים אלומה מגרעין אטום כבד ויציב של יסוד נתון – במקרה זה, איזוטופ של ארגון – ואז מאיצים את האלומה למחצית ממהירות האור. לאחר מכן הקרן פוגעת במטרה באמצעות קליעי החלקיקים הנעים במיוחד. ההתנגשות האלימה הזו יוצרת איזוטופים נדירים, קצרי מועד, שהחוקרים יכולים להרכיב אותם למכשיר כדי לסנן את חלקיק העניין. לאחר מכן הם מורידים את הטמפרטורה כדי להאט אותם לכדי קרן אחידה ולמדוד את מסת החלקיקים במדויק.

בעוד שהצוות הצליח למדוד במדויק את המסה של אלומיניום-22, זה רק חלק מאימות מבנה ההילה של הפרוטון של האיזוטופ. עמיתיהם של חוקרי ה-LEBIT במתקן ה-Beam Cooler and Laser Spectroscopy (BECOLA) ב-FRIB מתכננים כעת לעשות את הצעד הבא באימות הילת הפרוטון על ידי מדידת רדיוס המטען – התפלגות הפרוטונים סביב הגרעין – וכן עד כמה הגרעין עשוי להיות מעוות מצורתו הכדורית המסורתית. ביחד, מדידות אלו יכולות לאשר באופן חד משמעי את קיומו של מבנה הילה פרוטונים סביב אלומיניום-22.

Ringle ציין כי שיתוף הפעולה בין פיזיקאים תיאורטיים וניסויים ב-FRIB ממלא תפקיד חיוני למחקר כמו קביעת קיומו של הילה פרוטון סביב איזוטופ נדיר כמו אלומיניום-22.

FRIB מספק הזדמנויות מחקר לסטודנטים לתארים מתקדמים

Ringle זיכה את התלמידים בצוות על תפקיד מפתח בקידום מחקר זה. אחד הסטודנטים לתואר שני של LEBIT, סקוט קמפבל, לקח על עצמו את הפרויקט הזה כחלק מהעבודה שלו.

"הוא באמת לקח אחריות על הפעלת הניסוי הזה מתחילתו ועד סופו", אמר רינגל. "הסטודנטים שעובדים איתנו באמת נהנים משפע המומחיות שיש לנו במתקן הזה. בשום מקום אחר לא נמצא מתקן כזה באמצע קמפוס של האוניברסיטה. זה מאפשר לתלמידים להיכנס לשעה או שעתיים בין השיעורים שלהם או לפני שהם הולכים הביתה במשך היום. הם יכולים לעבוד במעבדה במשרה חלקית ולשלב זאת בקלות עם שיעורים. אבל המתקן שלנו מקבל גם תועלת; הגדלנו גישה לתלמידים מוכשרים ובעלי מוטיבציה".

קמפבל למד פיזיקה ומדעי המחשב באוניברסיטת גונזגה בתור תואר ראשון. הוא היה נרגש מהסיכוי להגיע ל-MSU ללימודי תואר שני, במידה רבה ל-FRIB בהיותו בקמפוס ולהיות משאב מרכזי עבור סטודנטים לפיזיקה. "התרגשתי מאוד מהסיכוי לעשות מחקר לפיזיקה גרעינית ב-MSU, במיוחד עם התגברות ה-FRIB במהלך הלימודים שלי", אמר. "יש לנו גישה למתקנים הנהדרים האלה ולקהילה נהדרת, ואנחנו זוכים להשתתף בהתקדמות פורצת דרך במדעי הגרעין."

קמפבל גם ציין ש-FRIB לא רק מציע מתקנים ברמה עולמית, אלא גם הזדמנויות נטוורקינג ומנטורים כמו Ringle. "אנחנו מוקפים בעמיתים שמתעניינים במחקר שלך ורוצים לעזור לך לדחוף את המדע קדימה", אמר.