นักฟิสิกส์ไขปริศนา 50 ปี ‘Gamma Bump’ ในการแตกตัวนิวเคลียร์

การทดลองนี้ทำงานอย่างไร

ทีมวิจัยใช้ลำอนุภาคยูเรเนียม-238 ยิงไปยังเป้าหมายเบริลเลียม-9 เพื่อสร้างนิวเคลียสคูเรียม-247 ที่กำลังแตกตัว ในการระบุทั้งชนิดของชิ้นส่วนแตกตัวและรังสีแกมมาที่มันปล่อยออกมา พวกเขาได้เชื่อมต่อเครื่องมือสองชนิดเข้าด้วยกัน ได้แก่ สเปกโตรมิเตอร์แม่เหล็ก VAMOS++ ซึ่งทำหน้าที่ระบุมวลและประจุของชิ้นส่วนแตกตัวแต่ละชิ้น และชุดตรวจวัดรังสีแกมมา PARIS ซึ่งบันทึกสเปกตรัมรังสีแกมมาพลังงานสูง การเชื่อมต่อนี้ทำให้สามารถระบุตัวตนของชิ้นส่วนแตกตัวแต่ละชิ้นและสเปกตรัมรังสีแกมมาได้พร้อมกันในแต่ละเหตุการณ์

สิ่งที่นักวิจัยค้นพบ

การศึกษาก่อนหน้านี้สามารถวัด 'gamma bump' ได้เฉพาะจากแหล่งผสมหรือไอโซโทปเดี่ยวๆ เท่านั้น การทดลองนี้เป็นครั้งแรกที่ให้การระบุรังสีส่วนเกินตามชนิดของไอโซโทปจากชิ้นส่วนแตกตัวที่อุดมด้วยนิวตรอนหลายชนิดในการวัดครั้งเดียว ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าความแรงของ 'gamma bump' แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในแต่ละไอโซโทป ขึ้นอยู่กับปริมาณนิวตรอนส่วนเกินและโครงสร้างของเปลือกนอก โดยเฉพาะใกล้กับค่านิวเคลียส ' doubly magic' อย่าง ดีบุก-132

ต้นกำเนิดทางกายภาพ: Pygmy Dipole Resonance

การคำนวณทางทฤษฎีชี้ให้เห็นว่ารังสีส่วนเกินอย่างน้อยส่วนหนึ่งมีต้นกำเนิดจาก Pygmy Dipole Resonance (PDR) ซึ่งเป็นรูปแบบการสั่นไหวแบบไดโพลที่อ่อน โดยชั้นนอกของนิวตรอนส่วนเกิน (ผิวหนังนิวตรอน) จะสั่นเทียบกับแกนกลางที่อุดมด้วยโปรตอน ความแรงของ PDR อยู่ต่ำกว่าคลื่นไหวแบบ Giant Dipole Resonance และเด่นชัดเป็นพิเศษในนิวเคลียสที่อยู่ไกลจากเส้นความเสถียร การเชื่อมโยงนี้ทำให้สามารถเข้าถึงคุณสมบัติของ PDR ในนิวเคลียสที่อุดมด้วยนิวตรอนซึ่งมีอายุสั้นและไม่สามารถศึกษาได้ด้วยปฏิกิริยาโฟตอนหรืออนุภาคแบบดั้งเดิม

ผลกระทบต่อการสร้างแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

'Gamma bump' มีส่วนทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนพลังงานสูงในกระบวนการแตกตัวนิวเคลียร์ในปริมาณที่ไม่ควรมองข้าม การคำนวณในเครื่องปฏิกรณ์สำหรับการสะสมความร้อน การให้ความร้อนจากรังสีแกมมาในวัสดุโครงสร้าง และการออกแบบเกราะป้องกัน ล้วนอาศัยสเปกตรัมรังสีแกมมาที่แม่นยำจากการแตกตัว แผนที่ไอโซโทปใหม่นี้เป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่แข็งแกร่งขึ้นสำหรับส่วนประกอบของรังสีแกมมาในคลังข้อมูลนิวเคลียร์ที่ใช้ในการประเมิน ซึ่งอาจช่วยปรับปรุงการจำลองฟิสิกส์เครื่องปฏิกรณ์และขอบเขตความปลอดภัยให้ดีขึ้น

เครื่องมือใหม่สำหรับการศึกษานิวเคลียสหายาก

การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาการแตกตัวนิวเคลียร์สามารถใช้เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์ในการสร้างนิวเคลียสที่อุดมด้วยนิวตรอนหลายชนิดพร้อมกัน และศึกษา PDR ของพวกมันผ่านการสลายตัวให้รังสีแกมมา แนวทางนี้เปิดช่องทางใหม่ในการตรวจสอบความหนาของผิวหนังนิวตรอน พฤติกรรมของพลังงานสมมาตร และการกระตุ้นแบบไดโพลรวมหมู่ในนิวเคลียสหายาก ซึ่งเป็นปริมาณที่มีความสำคัญเช่นกันต่อการทำความเข้าใจเปลือกดาวนิวตรอนและเส้นทางการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบ r-process

ข้อควรระวังและขั้นตอนต่อไป

ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ นั้นมาจากการทดลองเพียงครั้งเดียว และการเชื่อมโยงทางทฤษฎีกับ PDR นั้นอาศัยการเปรียบเทียบกับการคำนวณโครงสร้างนิวเคลียส แม้ว่าหลักฐานจะแข็งแรง แต่ก็จำเป็นต้องมีการทดลองเพิ่มเติมในระบบการแตกตัวที่แตกต่างกันและการวัดโดยตรงแบบ (γ,γ′) บนไอโซโทปเดียวกัน เพื่อยืนยันสัดส่วนที่แน่นอนของ PDR ในรังสีส่วนเกินนี้ และเพื่อแยกแยะปัจจัยอื่นๆ เช่น ส่วนทางสถิติของ Giant Dipole Resonance หรือการเปลี่ยนสถานะแบบ M1