תעלומת 'גבעת הגמא' נפתרה: ניסוי פורץ דרך במאיץ GANIL חושף את מקור קרינת הגמא העודפת בביקוע גרעיני

במשך עשרות שנים תמהו פיזיקאים גרעיניים על תופעה מוזרה: רסיסי ביקוע גרעיני פולטים יותר קרינת גמא בעלת אנרגיה גבוהה מכפי שמודלי הדעיכה הסטנדרטיים צופים, ובטווח אנרגיה של 3 עד 8 MeV. התופעה, המכונה 'גבעת הגמא' (gamma bump), נותרה לא מזוהה בניסוי – עד עתה.

בניסוי אחד ויחיד שנערך במתקן המאיץ GANIL בעיר קן (Caen) שבצפון צרפת, קבוצה בינלאומית של פיזיקאים ביצעה את המדידה האיזוטופית הראשונה של גבעת הגמא, תוך מיפוי העודף על פני יותר מתריסר איזוטופים עשירים בניוטרונים שלא היו נגישים קודם לכן [2, 3, 8]. התוצאות, שפורסמו בכתב העת Physics Letters B, מספקות הוכחה ישירה לכך שלפחות חלק מהפליטה מקורו בתהודה דיפולית פיגמית (Pygmy Dipole Resonance, PDR) – מצב תנודה קולקטיבי של 'עור הנייטרונים' בגרעינים עשירים בניוטרונים [3, 8].

איך התבצע הניסוי

הצוות הפציץ מטרת בריליום‑9 באלומת יוני אורניום‑238, ויצר גרעיני קוריום‑247 שביקוע. על מנת ללכוד גם את זהותו של כל רסיס ביקוע וגם את קרינת הגמא שהוא פולט, הם חברו את הספקטרומטר המגנטי VAMOS++ (המזהה את המסה והמטען של כל רסיס) יחד עם מערך גלאי הגמא PARIS. צימוד זה אפשר זיהוי בו-זמני (אירוע אחר אירוע) של כל רסיס וספקטרום קרינת הגמא בעלת האנרגיה הגבוהה שלו [3, 8].

מה גילו

מחקרים קודמים יכלו למדוד את גבעת הגמא רק ממקורות מעורבים או מאיזוטופים בודדים. ניסוי זה הוא הראשון המספק זיהוי איזוטופי של העודף על פני רסיסי ביקוע רבים עשירים בניוטרונים במדידה אחת . הנתונים מראים שעוצמת גבעת הגמא משתנה באופן משמעותי מאיזוטופ לאיזוטופ, בהתאם לעודף הנייטרונים ולמבנה הקליפה בקרבת הגרעין הכפול-קסום בדיל‑132 [3, 8].

המקור הפיזיקלי: תהודה דיפולית פיגמית

חישובים תיאורטיים מצביעים על כך שלפחות חלק מהעודף מקורו בתהודה דיפולית פיגמית (PDR) – מצב דיפול רך שבו השכבה החיצונית העשירה בניוטרונים ('עור הנייטרונים') מתנודדת כנגד הליבת העשירה בפרוטונים [2, 3]. עוצמת ה-PDR נמצאת מתחת לעוצמת תהודת הדיפול הענקית (Giant Dipole Resonance) והיא בולטת במיוחד בגרעינים הרחק מ'עמק היציבות' [3, 8]. קשר זה מעניק גישה ניסויית ישירה לתכונות ה-PDR בגרעינים קצרי-חיים ועשירי נייטרונים, שלא ניתן לחקור באמצעות תגובות קונבנציונליות המושרות על ידי פוטונים או חלקיקים [3, 8].

השלכות על מידול כורים גרעיניים

גבעת הגמא תורמת כמות לא מבוטלת של פליטת פוטונים בעלת אנרגיה גבוהה בביקוע. חישובי כורים להפקדת חום, חימום גמא בחומרים מבניים ועיצוב מיגון מסתמכים על ספקטרום קרינת גמא מדויק מביקוע [3, 25]. המיפוי האיזוטופי החדש מספק בסיס פיזיקלי מוצק יותר לרכיב קרינת הגמא בספריות הנתונים הגרעיניים המתוקננות, ועשוי לשפר הדמיות פיזיקת כורים ומרווחי בטיחות [3, 8, 25].

כלי חדש לחקר גרעינים אקזוטיים

הניסוי מוכיח שתגובות ביקוע יכולות לשמש ככלי רב-תכליתי לאיכלוס גרעינים רבים עשירים בניוטרונים בו-זמנית, ולחקר ה-PDR שלהם באמצעות דעיכת גמא [3, 8]. גישה זו פותחת ערוץ חדש לחקר עובי עור הנייטרונים, התנהגות אנרגיית הסימטריה ועירורים דיפוליים קולקטיביים בגרעינים אקזוטיים – תכונות שחשובות גם להבנת קרומי כוכבי נייטרונים ומסלול תהליך ה-r (ר-תהליך) של נוקליאוסינתזה כוכבית [3, 8, 25].

הסתייגויות וצעדים עתידיים

התוצאות שפורסמו מגיעות מניסוי בודד, והשיוך התיאורטי ל-PDR מסתמך על השוואה לחישובי מבנה גרעיני. אף שהראיות חזקות, יש צורך בניסויים נוספים על מערכות ביקוע שונות ובמדידות ישירות של תגובת (γ,γ′) על אותם איזוטופים כדי לאשר את החלק המדויק של ה-PDR בגבעת הגמא, וכדי לשלול תרומות אחרות כמו זנב תהודת הדיפול הענקית הסטטיסטית או מעברי M1 [3, 8].