Thí nghiệm tại GANIL giải mã bí ẩn 50 năm về 'bướu gamma' trong phân hạch hạt nhân

Thí nghiệm đã được tiến hành như thế nào?

Nhóm nghiên cứu đã bắn một chùm ion uranium-238 vào bia berili-9, tạo ra các hạt nhân curium-247 đang phân hạch. Để ghi lại đồng thời danh tính của từng mảnh vỡ phân hạch và bức xạ gamma của nó, họ đã kết hợp máy quang phổ từ VAMOS++ — thiết bị xác định khối lượng và điện tích của từng mảnh vỡ — với dãy máy dò tia gamma PARIS. Sự kết hợp này cho phép xác định đồng thời, từng sự kiện, danh tính của mỗi mảnh vỡ và phổ gamma năng lượng cao của nó .

Những phát hiện chính

Các nghiên cứu trước đây chỉ có thể đo bướu gamma từ các nguồn hỗn hợp hoặc các đồng vị riêng lẻ. Thí nghiệm này là lần đầu tiên cung cấp sự xác định đồng vị của lượng dư thừa trên nhiều mảnh vỡ phân hạch giàu neutron chỉ trong một lần đo . Dữ liệu cho thấy cường độ của bướu gamma thay đổi đáng kể giữa các đồng vị, phụ thuộc vào lượng neutron dư thừa và cấu trúc lớp vỏ gần hạt nhân thiếc-132 (doubly magic) .

Nguồn gốc vật lý: Cộng hưởng lưỡng cực lùn (PDR)

Các tính toán lý thuyết chỉ ra rằng ít nhất một phần lượng dư thừa bắt nguồn từ cộng hưởng lưỡng cực lùn (PDR) — một chế độ lưỡng cực mềm, trong đó lớp vỏ ngoài giàu neutron (da neutron) dao động so với lõi giàu proton . Cường độ của PDR nằm dưới cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ và đặc biệt rõ rệt ở các hạt nhân nằm xa thung lũng bền vững . Mối liên hệ này cho phép tiếp cận thực nghiệm trực tiếp các đặc tính của PDR trong các hạt nhân giàu neutron, tồn tại ngắn ngủi mà không thể nghiên cứu bằng các phản ứng thông thường do photon hoặc hạt gây ra .

Ý nghĩa đối với mô hình hóa lò phản ứng hạt nhân

Bướu gamma đóng góp một lượng photon năng lượng cao không nhỏ trong quá trình phân hạch. Các tính toán cho lò phản ứng về sự lắng đọng nhiệt, làm nóng gamma trong vật liệu kết cấu và thiết kế che chắn đều dựa trên phổ tia gamma chính xác từ phân hạch . Việc lập bản đồ đồng vị mới cung cấp một cơ sở dựa trên vật lý vững chắc hơn cho thành phần tia gamma trong các thư viện dữ liệu hạt nhân được đánh giá, có khả năng cải thiện các mô phỏng vật lý lò phản ứng và biên độ an toàn .

Một công cụ mới để nghiên cứu hạt nhân lạ

Thí nghiệm này chứng minh rằng các phản ứng phân hạch có thể đóng vai trò như một công cụ linh hoạt để tạo ra đồng thời nhiều hạt nhân giàu neutron và nghiên cứu PDR của chúng thông qua phân rã gamma . Cách tiếp cận này mở ra một kênh mới để điều tra độ dày của da neutron, hành vi năng lượng đối xứng và các kích thích lưỡng cực tập thể trong các hạt nhân lạ — những đại lượng cũng rất quan trọng để hiểu về lớp vỏ sao neutron và con đường tổng hợp hạt nhân r-process .

Thận trọng và các bước tiếp theo

Các kết quả được công bố chỉ từ một thí nghiệm duy nhất và sự quy kết lý thuyết cho PDR dựa trên sự so sánh với các tính toán cấu trúc hạt nhân. Mặc dù bằng chứng rất mạnh mẽ, nhưng cần có các thí nghiệm sâu hơn trên các hệ phân hạch khác nhau và các phép đo trực tiếp (γ,γ′) trên cùng các đồng vị để xác nhận tỷ lệ chính xác của PDR trong bướu gamma và loại trừ các đóng góp khác như phần đuôi thống kê của cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ hoặc chuyển tiếp M1 .