Peralatan baru di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) telah melakukan pengukuran yang sangat tepat terhadap inti rutenium yang tidak stabil. Pengukuran ini merupakan tonggak penting dalam fisika nuklir karena sangat sesuai dengan prediksi yang dibuat oleh model nuklir yang canggih.
“Sangat sulit bagi model teoritis untuk memprediksi sifat-sifat inti yang kompleks dan tidak stabil,” kata Bernhard Maass, asisten fisikawan di Argonne dan penulis utama studi tersebut. “Kami telah menunjukkan bahwa sekelompok model tingkat lanjut dapat melakukan hal ini secara akurat. Hasil kami membantu memvalidasi model tersebut.”
Memvalidasi model dapat membangun kepercayaan terhadap prediksi mereka tentang proses astrofisika. Ini termasuk pembentukan, evolusi, dan ledakan bintang tempat unsur-unsur diciptakan.
Studi ini dipublikasikan diSurat Tinjauan Fisik.
Kebutuhan untuk memvalidasi model teoritis
Fisikawan nuklir sedang mengembangkan model teoretis yang lebih maju untuk secara tepat memprediksi sifat-sifat inti atom yang tidak stabil dengan struktur, bentuk, dan gaya yang rumit. Model seperti ini mempunyai potensi untuk memperdalam pemahaman kita tentang cara kerja inti atom.
Namun, penting untuk menunjukkan keakuratan model-model ini sebelum dapat digunakan untuk mendorong batas-batas ilmu pengetahuan. Hal ini memerlukan tugas yang sulit untuk mengumpulkan-pengukuran inti kompleks yang tepat dan nyata serta membandingkan pengukuran tersebut dengan prediksi model.
Rutenium adalah elemen ideal untuk memvalidasi model teoretis tingkat lanjut. Logam langka ini memiliki isotop-atom dari unsur yang sama dengan jumlah neutron berbeda dan stabilitas berbeda-beda-yang diketahui memiliki inti dengan struktur dan bentuk kompleks. Ada serangkaian isotop rutenium radioaktif yang tidak stabil yang diyakini memiliki bentuk triaksial, mirip dengan almond atau biji kopi.
Mengukur sifat-sifat rutenium
Tim peneliti menggunakan peralatan Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectrcopy (ATLANTIS) untuk mengukur sembilan isotop radioaktif ruthenium. Perangkat baru ini dipasang di Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS adalah fasilitas pengguna DOE di Argonne dengan akselerator linier superkonduktor yang dirancang untuk mempelajari sifat-sifat inti atom.
Para peneliti memperoleh akses ke isotop radioaktif ruthenium dari instrumen ATLAS lain, Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU dapat menghasilkan ruthenium radioaktif melalui fisi sejumlah kecil californium-elemen langka dan sangat radioaktif.
“Isotop rutenium yang kami pelajari hanya bertahan satu detik sebelum terurai menjadi unsur lain,” kata Maass. “ATLANTIS melakukan teknik yang disebut spektroskopi laser collinear. Hal ini memungkinkan kita mengumpulkan pengukuran sejumlah kecil isotop ini dalam waktu kurang dari satu detik.”
Dengan menggunakan ATLANTIS, para peneliti mengarahkan sinar laser ke jalur yang sama dengan sinar atom rutenium. Pada frekuensi laser tertentu, atom-atom tereksitasi dan mulai berpendar, menunjukkan bahwa foton cahaya dipancarkan. Tim mengidentifikasi frekuensi laser di mana emisi foton mencapai puncaknya. Proses ini diulangi untuk sembilan isotop rutenium. Untuk setiap isotop, puncak emisi bergeser ke frekuensi yang sedikit berbeda.
“Kita dapat menggunakan pergeseran isotop ini untuk mengetahui perbedaan ukuran inti isotop,” kata Maass.
Tim membandingkan perubahan ukuran ini dengan prediksi dari model Brussels-Skyrme-on-a-Grid (BSkG), yang merupakan salah satu model struktur nuklir paling canggih di dunia. Tidak seperti model nuklir tradisional yang lebih tua, model ini memperhitungkan gaya spesifik dan interaksi antara semua neutron dan proton dalam inti.
Para peneliti menemukan kesesuaian yang sangat baik antara hasil mereka dan prediksi dari model BSkG, yang menunjukkan ketahanan model tersebut.
Khususnya, dalam upaya memungkinkan pengukuran yang tepat, tim juga mengembangkan teknologi spektroskopi laser collinear. Secara khusus, mereka mengembangkan dan menerapkan teknik-teknik baru yang efektif yang menetralkan berkas atom dan "menggabungkannya" menjadi pulsa.
Temukan ilmu pengetahuan, teknologi, dan ruang angkasa terkini dengan lebih dari itu100.000 pelangganyang mengandalkan Phys.org untuk wawasan harian. Daftar ke buletin gratis kami dan dapatkan pembaruan tentang terobosan, inovasi, dan penelitian yang penting-harian atau mingguan.
Berlangganan
Implikasinya bagi astrofisika
Studi tersebut menunjukkan bahwa model BSkG dapat membuat prediksi inti triaksial yang tidak stabil dengan akurasi yang luar biasa. Model canggih seperti ini dapat membantu ahli astrofisika menjelaskan cara kerja alam semesta.
“Ahli astrofisika mengetahui bahwa inti radioaktif yang tidak stabil memainkan peran penting dalam pembentukan bintang dan unsur-unsur di alam semesta,” kata Maass.
“Untuk lebih memahami alam semesta kita, kita perlu mengetahui bagaimana inti atom terstruktur dan bagaimana mereka berinteraksi. Kita harus mampu memprediksi sifat inti eksotik yang tidak dapat dihasilkan dalam akselerator partikel modern.”
Tiga penulis penelitian mengembangkan model BSkG: Wouter Ryssens dan Guilherme Grams, keduanya dari Université libre de Bruxelles di Belgia, dan Michael Bender dari Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon di Perancis.
Selain Maass, Ryssens, Grams, dan Bender, eksperimen dan konstruksi ATLANTIS merupakan kolaborasi para peneliti dari Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard, dan Adrian Valverde), Universitas Teknik Darmstadt di Jerman, dan Fasilitas Sinar Isotop Langka di Michigan State University.
ATLANTIS tersedia bagi institusi yang berkolaborasi untuk melakukan pengukuran spektroskopi laser collinear untuk berbagai kebutuhan penelitian. Untuk menjajaki peluang kolaborasi, hubungi Maass.
