Fiecare generație de oameni de știință își definește și abordează problemele cheie din domeniul ei, împingând astfel mai departe limitele necunoscutului. Când fac acest lucru, cercetătorii construiesc instrumente pe care le consideră adecvate pentru a se apropia de problemele cu care se confruntă. Astfel, pe lângă răspunsurile pe care le aduce curiozității omenirii, știința împinge tehnologiile dincolo de limitele lor.
Fizica nucleară modernă își propune să găsească răspunsuri la întrebări cum ar fi „cum se formează elementele din Univers și cum depinde abundența lor de parametrii stelari”. Iar pentru aceasta trebuie să studiem pe Pământ reacțiile care au loc în stele.
O altă problemă-cheie de interes actual în fizica nucleară este: „care sunt forțele care acționează între nucleonii dintr-un nucleu și care sunt configurațiile la care se ajunge în urma acestor interacții?”.
Într-o discuție mai detaliată, principalele aspecte care trebuie clarificate includ:
- Cum evoluează structura nucleară în pături în nuclee cu exces de neutroni (nuclee bogate în neutroni)?
- Cum se modifică efectele colective și corelațiile de împerechere ale nucleonilor în nuclee bogate în neutroni?
- Care este structura celor mai grele sisteme nucleare și cum fisionează aceste sisteme?
În cadrul Proiectului ELI-NP, am elaborat un program de cercetări diferit, care se adresează întrebărilor centrale ale fizicii nucleare actuale și anume problemelor legate de structura nucleelor atomice și de astrofizica nucleară, întrebări ale căror răspunsuri nu pot fi găsite cu alte mijloace. Pentru implementarea acestui program, echipa noastră proiectează instrumente noi, care urmează să utilizeze în cel mai bun mod posibil fasciculele gamma, care vor avea o intensitate și o lărgime de bandă fără precedent.
După consumarea totală a hidrogenului din nucleul stelar, stelele sunt angajate în stadii succesive de ardere, implicând arderea unor diverse nuclee mai grele, cum ar fi heliul, carbonul, neonul, oxigenul și siliciul, cu condiția ca masele stelare să fie suficient de mari. O întrebare centrală în astrofizica nucleară, care a rămas fără răspuns în ultimii 30 de ani, este legată de raportul carbon-oxigen la finalul procesului de ardere a heliului.
Producția de 12C în reacții alpha triple prin fuziunea a trei nuclee de heliu și a 16O în reacția 12C(α,γ) este cel mai bun exemplu de principiu antropic în astrofizică, acest principiu afirmând că observațiile efectuate asupra Universului fizic trebuie să fie compatibile cu viața conștientă care face aceste observații, deoarece acești doi izotopi au o importanță crucială pentru existența vieții pe Pământ.
Pentru a rezolva problema este nevoie de măsurarea cu suficientă precizie a reacțiilor 12C(α,γ)16O la energii joase. O altă abordare a problemei este măsurarea reacției inverse, 16O (γ,α)12C, ceea ce va fi posibil la ELI-NP.
Acesta este doar un exemplu de reacții-cheie din astrofizică al căror studiu va putea fi efectuat cu fasciculele gamma intense de la ELI-NP. Un alt exemplu este reacția de fotodezintegrare 24Mg(γ,α), care guvernează fluxul descendent, de la mangan la heliu, care are loc într-o stea. Studiul său va ajuta la înțelegerea procesului de ardere a siliciului care are loc imediat înainte de colapsarea nucleului unei stele și explozia sa consecutivă ca supernovă.
Ca să rezumăm, fasciculele gamma de la ELI-NP deschid posibilitatea studierii unora dintre cele mai importante reacții nucleare astrofizice. Ele vor aduce clarificări privind întrebări cum ar fi problema cosmologică a 7Li, unde fotodezintegrarea va fi studiată pentru explicarea raportului carbon-oxigen în arderea heliului și importanța arderii siliciului pentru colapsul nuclear al supernovelor.
Vom studia reacții importante pentru procesele-p de captură de protoni, cum sunt producerea de 92Mo, 94Mo, 113In și 115Sn, care ne atrag atenția asupra unor probleme nerezolvate în înțelegerea proceselor-p. Fotodezintegrările joacă rolul cel mai important în procesele-p și ele ar trebui să aibă loc pe scale de timp comparabile cu cele ale evoluțiilor stelare. Astfel de constrângeri se întâlnesc în straturi adânci de oxigen-neon ale stelelor masive care explodează ca Supernove de tipul II.
Totuși, în 11 din cele 35 de nuclee care sunt importante în calculele de rețea pentru procesele-p, nu există nici un fel de date de fotodezintegrare și va fi una dintre misiunile ELI-NP să le furnizeze. În acest sens, construcția sistemului de fascicule gamma al ELI-NP (GBS) vine tocmai la timp pentru a oferi răspunsuri la unele dintre cele mai arzătoare întrebări pentru înțelegerea generării elementelor din Univers.
Pentru a realiza la ELI-NP astfel de experimente, se proiectează sisteme specifice de detectori care se bazează pe noi tehnologii de ultimă oră. Pentru studii de dezintegrări alpha multiple și procese de fotodezintegrare, se are în vedere o cameră cu proiecție temporală cu read-out (e-TPC). Sistemul de read-out al e-TPC va folosi tehnologia multiplicatorului cu gaz de electroni (GEM) care a fost recent dezvoltată la CERN.
Un detector GEM constă dintr-o folie subțire de polimeri placată cu metal, perforată chimic cu găuri de foarte mare densitate (de obicei de ordinul a 50-100 pe mm2). Prin aplicarea unei diferențe de potențial între cei doi electrozi, electronii eliberați prin radiație de o parte a structurii migrează prin găuri, sunt multiplicate și transferate către o zonă de colectare.
Fiecare gaură acționează ca un amplificator proporțional individual. În cazul e-TPC, gazul va fi izotopul țintă, de ex. 16O, produs de reacție – un ion 12C sau o particulă α –, care vor fi încetinite în volumul gazului, creând electroni care, la rândul lor, vor fi detectați de detectorul GEM. Folosind un read-out suport, montat pe o placă de circuit multi-strat, cinematica reacției va fi redată tridimensional. În plus, este proiectată o rețea de detectori cu benzi de siliciu (Si DSSD) acoperind un unghi 4π în jurul țintei. Aceasta va permite detectarea cu mare eficiență a particulelor încărcate: protoni sau particule alpha.
O altă clasă de experimente care se vor desfășura la ELI-NP, sunt studiile de fotofisiune. La ELI-NP, urmărim investigarea stărilor care sunt construite pe forme nucleare cu deformări extreme în actinidele ușoare – de ex. 232Th.
Intensitatea și lărgimea de bandă a fasciculelor ELI-NP oferă posibilitatea studierii în detaliu a barierei de potențial cu mai multe maximum-uri din aceste nuclee. Selectivitatea acestor măsurători se datorează valorii bine definite a momentului unghiular transferat sistemelor fisionabile în timpul procesului de fotoabsorbție. Se pot efectua studii de înaltă rezoluție privind masa, numărul atomic și distribuțiile de energie cinetică ale fragmentelor de fisiune care decurg din dezintegrarea stărilor în primul, al doilea și al treilea minimum ale barierei de potențial.
Aceste studii fac necesară dezvoltarea unor detectori de fisiune de ultimă oră pentru exploatarea fasciculelor gamma de la ELI-NP. O rețea de detectori multi-ținta este în curs de dezvoltare. Ea constă din module GEM sensibile la poziție. În plus, deoarece fasciculele gamma bine focalizate definesc cu precizie o anumită poziție distinctă de fisiune, se poate realiza o rezoluție unghiulara net superioară. Pentru măsurători ale distribuției de masă și număr atomic ale fragmentelor de fisiune, se proiectează o cameră de ionizare dublă de multiplicitate cinci, de mare eficiență, care va permite acest tip de măsurători cu o precizie care va depăși cu mult posibilitățile actuale.
Producerea de fragmente de fisiune bogate în neutroni în fotofisiunea 238U pune la dispoziție o posibilitate unică de studiere a structurii nucleelor aflate foarte departe de valea de stabilitate. În acest caz, la ELI-NP se va beneficia de un fascicul gamma intens de bandă largă, cu energii între 10 și 19.5 MeV.
După cum arată calculele, la ELI-NP se vor putea obține specii extrem de exotice de izotopi interesanți ai elementelor refractoare (metale cu temperatură foarte înaltă de topire, între aproximativ 1300 și 1500K), și aceasta cu un randament suficient de mare pentru a face ca ELI-NP să fie un pilon al Infrastructurii Europene ELI competitiv cu cele mai bune laboratoare din lume. Tehnica folosită pentru extragerea și separarea izotopilor de interes va fi IGISOL – separarea online folosind ghiduri de ioni.
Linia de fascicul corespunzătoare este în curs de proiectare și va include o celulă criogenică de stopare cu gaz, unde vor fi montate țintele de 238U. Ionii care vor părăsi țintele vor fi încetiniți în gazul de heliu și ghidați pentru a forma un fascicul cu ajutorul unui sistem de câmpuri electrice DC și de Radiofrecvență. Tehnologiile care au fost alese vor asigura o eficiență și o selectivitate superioară tuturor celor realizate până acum în alte laboratoare.
Izotopii elementelor refractoare din zona Zr-Mo_Rh și a pământurilor rare, care sunt dificil sau imposibil de studiat la alte instalații ISOL, cum ar fi experimentul ISOLDE la CERN, pentru că folosesc difuzia de la o țintă fierbinte, cu timpuri de difuzie foarte lungi, vor fi produse la ELI-NP cu randament foarte bun.
În concluzie, ansamblul ELI-NP va pune la dispoziție un mare volum de date pentru studiul structurii nucleare, reacțiilor fotonucleare și fotofisiunii. Experimentele vor beneficia de fasciculele produse de GBS – acceleratorul gamma al ELI-NP, care sunt caracterizate de diametrul lor mic, lărgimea de bandă mică a fluxului și de o polarizare de aproape 100%.
