Atom berilij-7 pomaga preverjati nedoslednosti v teoriji Big Bang

Anonim

Kmalu po Big Bangu so med drugim nastali radioaktivni atomi vrste berilij-7. Danes so po vesolju že dolgo razpadli in se ne pojavljajo naravno, v nasprotju z litijskim produktom razpadanja. Zdaj so raziskovalci na Inštitutu Paul Scherrer PSI pomagali bolje razumeti prve minute vesolja: zbirali so umetno proizvedeni berilij-7 in ga naredili v vzorcu, ki bi ga lahko raziskali. Berilij-7 so nato raziskovali v CERN-u. Skupna študija PSI, CERN in 41 drugih raziskovalnih institucij obravnava tako imenovani problem kozmološkega litija. Obstaja izrazito neskladje med količino litija, ki bi jo morali v vesolju predvideti teorija Big Banga in koliko litija dejansko opaziti. Glede na sedanjo študijo se zdi bolj verjetno, da je vzrok tega kozmološkega problema litija v teoretičnem opisu izvora vesolja. Znanstvena skupnost bo zato morala še naprej iskati rešitev kozmološkega litijskega problema. Raziskovalci so svoje rezultate objavili v reviji Physical Review Letters.

Raziskovalci na Inštitutu Paul Scherrer so zagotovili težko zmagovalno sestavino za boljše razumevanje izvora vesolja: lahko so izdelali vzorec izredno redkih in kratkotrajnih atomov izotopa berilij-7. Nato je bilo v CERNu mogoče beriti to berilij-7 - v praksi, njegovo interakcijo z nevtroni - z veliko večjo natančnostjo kot kdajkoli prej.

Ker zaradi radioaktivnega razpada berilij-7 postane litij-7, lahko proučevanje pomaga razbiti temeljno težavo teorije Big Bang: Teorija napoveduje tri do štirikrat večje količine litija v vesolju, kot kažejo dejanske meritve. Ta tako imenovani problem kozmološkega litija je ena od zadnjih velikih zagatalk trenutne teorije izvora vesolja, ker se za vse druge elemente, ki so nastali kmalu po Velikem prahu, teorija dobro prilagaja izmerjenim podatkom.

Skoraj vsi današnji litij-7 v vesolju prihajajo iz razpadajočega berilija-7, ki se je nato pojavil kmalu po velikem udarcu. Tako so raziskovalci preučevali vprašanje, ali bi bilo v začetku na začetku manj berilija, kot je bilo prej verjetno, kar bi lahko razčistilo problem kosmološkega litija. Ena od zadnjih možnosti, ki je še vedno odprta za preverjanje, je bil tako imenovani presek berlij-7 za zajemanje nevtronov. Ta vrednost napoveduje verjetnost, da bo atomsko jedro berilij-7 zajelo prosti nevtron in nato razpadlo.

"Presek berilij-7 za zajemanje nevtronov je bil nazadnje izmerjen, natančno za primerjavo, pred približno 50 leti, " pojasnjuje raziskovalec PSI Dorothea Schumann, vodja raziskovalne skupine za izotopsko in ciljno kemijo. To ključno sliko je zdaj treba raziskati v CERN, natančneje kot kdajkoli prej. Vzorec berilij-7, potreben za to, so zagotovili raziskovalci PSI.

Leta priprave in preskusov

Proizvodnja in merjenje vzorca berilij-7 je bila podobna enkratni gledališki performans, za kar so raziskovalci morali opraviti približno tri leta pripravljalnega dela in preizkusov. Berilij-7 izgine tako hitro z radioaktivno razpadanjem, da se njegova količina zmanjša za približno približno vsakih 53 dni. Zato je bilo treba pred dejansko vožnjo na PSI in CERN-u, pa tudi za prevoz med obema institucijama - vse, da bi med izdelavo vzorca in meritvijo prešla čim manj časa.

Ideja za eksperiment je nastala leta 2012. Raziskovalec PSI Schumann je vedel, da lahko izvleče redki berilij-7 iz hladilne vode švicarskega izvora spalacije neutrona SINQ, ki deluje pri PSI za eksperimentiranje z nevtronskimi žarki.

"Tukaj na PSI, s SINQ in drugimi velikimi raziskovalnimi objekti imamo edinstvene vire za nabiranje redkih radioaktivnih izotopov, " pravi Schumann. "Za raziskovalce, ki delujejo in uporabljajo te naprave, so ti izotopi stranski proizvod, vendar so za številne druge raziskovalne ustanove zelo koristni in nujni." Kot zlati prospekti, Schumann in njena raziskovalna skupina izvlečejo te redke izotope. "In potem delamo kot vmesnik za druge raziskovalce zunaj PSI, ki se zanimajo za obogatene vzorce teh izotopov."

CERN zanima

Raziskovalci CERN-a so pokazali zanimanje za pridobitev vzorca berilij-7. "Z njim so vedeli, da se lahko lotijo ​​problema kozmološkega litija, " pojasnjuje Schumann.

Tako sta Schumann in njena ekipa začela pripravljati: V PSI je Schumann stopil v stik z znanstveniki in inženirji, ki delujejo na SINQ. Poseben sistem filtrov, ki ustreza specifikacijam izotopskih raziskovalcev, je bil povezan s hladilno vodo SINQ, ki je v obdobju približno treh tednov lahko zbrala material, ki vsebuje primerno količino berilija-7. "Za ravnatelja se lahko naš filter zdi precej podoben znanemu gospodinjskemu filtru za vodovodno vodo, " pravi Stephan Heinitz, znanstvenik v raziskovalni skupini Schumann.

Med drugim so morali tako zbrani materiali kemično ločiti. "To zahteva posebno strokovno znanje - na srečo imamo v svoji raziskovalni skupini, " pravi Schumann. Kljub temu je ta postopek trajal še en teden in ga je bilo treba izvesti za zaščito pred sevanjem iz materiala v tako imenovani vroči celici - laboratoriju za manipulacijo z radioaktivnimi snovmi.

Transportna teža 800 kilogramov

Od tam je bil koncentrirani vzorec berilij-7 treba prenesti v ustrezen nosilec, to pa v aparat glede velikosti kuhinjskega lonca, ki je izpolnjeval specifikacije za uporabo pri poskusni namestitvi pri CERN-u. "Aparat in kontejnerji za prenos materialov, ki so bili odporni proti sevanju, so bili vsi narejeni po naročilu, " pravi Emilio Maugeri, drugi raziskovalec v Schumannovem skupini.

Na koncu je bilo treba urediti in odobriti prevoz težkih tovorjev radioaktivnih snovi iz PSI v CERN.

"Dejanski vzorec, ki smo ga dostavili CERNu, je vseboval le nekaj milijoninih gramov berilij-7, " pojasnjuje Schumann. "Toda potrebni zaščitni element je prinesel prevozno težo do 800 kilogramov."

V kritičnem časovnem obdobju je vse uspelo v skladu z načrtom. Raziskovalci CERN-a so lahko izvedli poskus z vzorcem PSI in določili tako nedosledno znani presek berilij-7 za zajemanje nevtronov.

Kosmološki problem litija ostaja nerešen

Znanstveniki CERN in PSI ter njihovi sodelavci iz 41 drugih raziskovalnih institucij so bili še posebej zainteresirani za določeno propadanje berilij-7: verjetnost procesa, s katerim atomsko jedro berilij-7 ujame prosti nevtron - to je elementarno delec brez neto polnjenja. Hkrati eden od protonov zapusti jedro berilija. Ker jedro sedaj vsebuje en manj proton (in še en nevtron), se atom berilij pretvori v atom elementa litija: postane litij-7. Tako imenovani presek zajemanja nevtronov - to je verjetnost celotnega procesa - je odvisen od energije, ki jo ima prosti nevtron. Zato so raziskovalci izkoristili možnost, da CERN spreminja energijo nevtronov in izdelali serijo meritev za širok spekter energij nevtronov.

Toda te najnovejše meritve preseka zajemanja nevtronov niso rešile problema kosmološkega litija. Schumann pravi: "Z novimi meritvami so raziskovalci CERN-a lahko natančno določili presek zajemanja nevtronov, tako da je sedaj jasno: vprašanje kozmološkega litija ni mogoče rešiti na ta način, vendar še vedno obstaja. bo moral še naprej iskati razlago. "

menu
menu