Ett eksperiment ved GANIL løser 50 år gammel gåte om «gammaknausen» i kjernefysisk fisjon

Slik fungerte eksperimentet

Teamet bombet et beryllium‑9-mål med en stråle av uran‑238-ioner, og skapte dermed curium‑247-kjerner som spaltes i fisjon. For å fange både identiteten til hvert fisjonsfragment og gammastrålingen det sendte ut, koblet de VAMOS++-massespektrometeret – som identifiserer masse og ladning til hvert fragment – med PARIS-gammadetektorarrayen. Dette gjorde det mulig å samtidig, hendelse for hendelse, identifisere hvert fragment og dets høyenergetiske gammaspektrum .

Hva de fant

Tidligere studier kunne bare måle gammaknausen fra blandede kilder eller enkeltisotoper. Dette eksperimentet er det første som gir isotopidentifikasjon av overskuddet på tvers av mange nøytronrike fisjonsfragmenter i én enkelt måling . Dataene viser at styrken på gammaknausen varierer betydelig fra isotop til isotop, avhengig av nøytronoverskudd og skallstruktur nær den dobbelt magiske kjernen tinn‑132 .

Den fysiske opprinnelsen: pygmy dipole-resonans

Teoretiske beregninger indikerer at i hvert fall deler av overskuddet stammer fra pygmy dipole-resonansen (PDR) – en myk dipolmodus der det nøytronrike ytre laget (nøytronhuden) svinger mot den protonrike kjernen . PDR-styrken ligger under den kjempestore dipolresonansen og er spesielt uttalt i kjerner langt fra stabilitetsdalen . Denne koblingen gir direkte eksperimentell tilgang til PDR-egenskaper i kortlivede, nøytronrike kjerner som ikke kan studeres med konvensjonelle foton- eller partikkelinduserte reaksjoner .

Implikasjoner for modellering av atomreaktorer

Gammaknausen bidrar med en ikke-neglisjerbar mengde høyenergetisk fotonutslipp i fisjon. Reaktorberegninger for varmedeponering, gammavarme i konstruksjonsmaterialer og skjermingsdesign er avhengige av nøyaktige gammastrålingsspektre fra fisjon . Den nye isotopkartleggingen gir et mer fysisk fundert grunnlag for gammastrålingskomponenten i evaluerte kjernedatabiblioteker, noe som potensielt kan forbedre reaktorfysikksimuleringer og sikkerhetsmarginer .

Et nytt verktøy for å studere eksotiske kjerner

Eksperimentet viser at fisjonsreaksjoner kan fungere som et allsidig verktøy for å samtidig populasjonere mange nøytronrike kjerner og studere deres PDR via gammahenfall . Denne tilnærmingen åpner en ny kanal for å undersøke nøytronhudtykkelse, symmetrienergioppførsel og kollektive dipoleksitasjoner i eksotiske kjerner – størrelser som også er viktige for å forstå nøytronstjerneskorper og r-prosessens nukleosyntesevei .

Forbehold og veien videre

De publiserte resultatene stammer fra ett enkelt eksperiment, og den teoretiske tilskrivningen til PDR bygger på sammenligning med kjernefysiske strukturberegninger. Selv om bevisene er sterke, er det nødvendig med flere eksperimenter på andre fisjonssystemer og direkte (γ,γ′)-målinger på de samme isotopene for å bekrefte den nøyaktige PDR-andelen av knausen og for å utelukke andre bidrag, som statistisk kjempedipolresonanshale eller M1-overganger .