Fizikçi Ernest Rutherford 1911’de atom çekirdeğini keşfettiğinden beri yapısını ve davranışını incelemek zor bir görev olarak kaldı. Bir asırdan fazla bir süre sonra, bugünün nükleer fiziği araştırmak için yüksek teknolojili araçlarla bile, evrenin gizemleri bol miktarda bulundu.
Enerji Bölümü Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda araştırmacılar tarafından geliştirilen önde gelen Almanyum dedektörlerine dayanan bilimsel topluluk, kalıcı gizemlerin kilidini açmak için zor nükleer süreçler takip ediyor. Çözmeyi umdukları soruların cevapları, evrenin kendisini yeniden tanımlama potansiyeline sahip. Evren neden antimadder’dan daha fazla madde içeriyor? Bir parçacık kendisinin hem mesele hem de antimitter versiyonu olabilir mi? Big Bang’in ürettiği ve standart parçacık fiziği modelinin önerdiği arasında bir uyumsuzluk var mı?
Bu gibi soruları cevaplamak için uluslararası çabaların öncülüğünde uzun zamandır, ORNL’nin katkıları bugün güçlü olmaya devam ediyor. Laboratuarın temel nükleer ve parçacık fiziği bölümü başkanı David Radford, almanyum dedektörlerinin gelişimi üzerinde silinmez bir etkisi olan alanda uluslararası üne sahip bir uzmandır. Temel fizik araştırmalarının ön saflarında hayati deney araçları, germanyum dedektörler, radyasyonu tespit etmek ve inanılmaz derecede hassas enerji ölçümlerini mümkün kılmak için kullanılan büyük, metalik bir element olan tek kristallerdir.
Radford şu anda Legend-1000 DOE Projesi (Legend) olarak bilinen nötrinolez çift beta çürümesi için büyük zenginleştirilmiş Germanyum deneyinin bir kısmına liderlik ediyor. Efsane, nötrinoların zor doğası hakkında daha fazla bilgi edinmek için germanyum dedektörlerine dayanan çok uluslu, çok kurumsal bir projedir. Nötrinoların daha iyi anlaşılması-evrende bildiğimiz en bol, kütle içeren parçacıklar-fiziğin en büyük gizemlerinin kilidini açmaya yardımcı olabilir.
Yaklaşık 50 uluslararası kurumdan 250’den fazla araştırmacı içeren bir işbirliği ile Legend’in Global Fizik Deneyi, bir yeraltı laboratuvarındaki arka plan radyoaktivitesinden korunan bir ton Germanyum dedektör dizisine güvenecek.
Nötrinezsiz çift beta çürümesi arayışının tarihi boyunca “ORNL, Güney Dakota’daki Sanford Underground Araştırma Tesisinde Majorana Gösterici olan bir öncül deneyi olan baş laboratuvarı oldu. Ayrıca dostça rekabet içindeydik, el ele çalıştık. Avrupa Gerda deneyi, “dedi Radford. “Avrupa ve ABD meslektaşlarımıza tasarım ve analiz kodları konusunda çok katkıda bulunuyoruz.”
Radford, onlarca yıldır Majorana, Greta ve Gretina dahil olmak üzere birçok etkili, uluslararası Germanyum-detektör projesine önemli bir katkıda bulundu. Nükleer yapı ve nükleer astrofizik incelenmesi için yetenekleri ilerletmek için, bu karmaşık bilimsel nöbetçiler onlarca yıl boyunca hem büyüklük hem de etkinlik içinde büyüdüğü için Germanyum dedektörü tasarımına ve kullanımına büyük katkılarda bulundu.
Radford, “Hem Gerda hem de Majorana başarılı olduktan sonra, Avrupa ve ABD deneyleri işbirliğini birleştirdik ve efsane işbirliğini oluşturduk. ORNL, efsane için kullanılan dedektör tasarımına katkıda bulundu.” Dedi.
Germanyum Dedektörü Geçmişi
1960’lardan bu yana, zor olan bu zor atom altı bilgi arayışında bir sabit, kimyasal element Germanyum olmuştur. Silikon ve kalay arasındaki periyodik tablonun karbon kolonunda yer alan Almanyum, hem metallerin hem de metal olmayanların özelliklerine sahiptir. Dmitri Mendeleev 1869’daki varlığını öngördü ve Clemens Winkler bunu 1886’da bir mineral örneğinde tanımladı ve uyruğundan sonra adlandırdı. Ancak, potansiyel kullanımlarının çoğunun keşfedilmesinden ve sömürülmesinden yarım yüzyıl geçti.
İkinci Dünya Savaşı sırasında, Almanyum öncelikle radar darbesi tespiti için nokta temaslı diyotlarda kullanıldı. Savaştan sonra, 1950’lerden 1970’lerin başlarına kadar, Germanyum’un transistörlerde yarı iletken olarak gelişimi, periyodik tabloda daha bol, daha az pahalı komşusu Silikon ile değiştirilene kadar katı hal elektroniklerde kullanımının yolunu açtı. Daha sonra Germanyum, fiber optikler, güneş panelleri, gece görüş gözlüğü, plastik için polimerizasyon katalizörlerinde ve havaalanı güvenlik termal kameralarının ve tarayıcılarının kızılötesi optiklerinde de kullanılmıştır.
Bununla birlikte, ilk olarak tek bir yüksek saflıkta germanyum kristalinden yetiştirilen ve etrafında inşa edilen germanyum dedektörler, 1960’ların ortalarına kadar gelmedi. Bu çığır açan araçlar nükleer fizikçiler için yeni bir araştırma tekniği başlattı: yüksek çözünürlüklü gama ışını spektroskopisi.
Bu süreç, atomik çekirdeklerin sahip olduğu benzersiz gama ışını parmak izlerini arayan bir arayış olan gama-ışını spektrumlarını analiz ederek çekirdek veya izotopik bileşimin yapısını belirler. Germanyum, yüksek algılama verimliliği ve yüksek enerji çözünürlüğü arasındaki etkili dengesi nedeniyle gama ışını spektroskopisinde kullanım için idealdir.
Bir çekirdek heyecanlı bir durumdan daha düşük enerjili bir duruma düştüğünde, bunu genellikle bir gama ışını yayarak-en yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon formu-doğru koşullar altında, başlangıç ve sonun gözlemlenebilir ve karakteristiğidir. kuantum durumları. Burada görev yatıyor.
ORNL’de bir araştırma bilimcisi olan James “Mitch” Allmond, düşük enerjili nükleer fizik ve nükleer astrofizik araştırıyor ve kararlı, uzun ömürlü olan “istikrar vadisinden” daha da ilerlerken çekirdeklerde ortaya çıkan davranışları daha iyi anlamayı umuyor Çekirdekler yaşıyor. DOE’nin en yeni kullanıcı tesisinde, Michigan State Üniversitesi’ndeki nadir izotop kirişleri veya frib tesisinde Allmond, devam eden FRIB Decay istasyonu başlatıcı projesini yönetiyor. Özellikle nükleer yapının – atomik bir çekirdek içindeki protonların ve nötronların organizasyonunun – egzotik radyoaktif izotoplar için nasıl geliştiği ile ilgileniyor. Bu çekirdekler stabiliteden daha uzakta üretildiğinden, yeni fenomenler gözleniyor.
Normalde, bu nadir izotoplar sadece yıldızlarda veya yıldız birleşmeleri veya süpernova gibi olaylar sırasında var olan, hepsi nükleosenteze yol açar – daha hafif çekirdeklerin yeni, genellikle daha ağır atom çekirdekleri oluşturmak için yapı taşları olarak kullanıldığı süreç. Ortaya çıkan yıldızların içinde nükleosentez, çeşitli füzyon süreçleri aracılığıyla daha ağır elementler oluşturarak tekrarladı. Germanyum dedektörlerinin yardımıyla Allmond, bu nadir izotopları inceleyebilir, yıldızlarda neler olduğuna dair teorileri varsayabilir ve dünyanın temel bolluğunu daha iyi anlayabilir.
Hem deneyci hem de teorisyen olan Allmond, “Kuantum sistemleri olan atomik çekirdeklerin yapısını gerçekten anlamaya çalışıyoruz” dedi. “Heyecanlanabilirler ve çürüyebilirler. Genellikle gama ışınları tarafından ve genellikle birden fazla tarafından bozulurlar. Nihayetinde nükleer yapıyı daha iyi anlamak için atomik çekirdekler tarafından eşzamanlı olarak yayılan birden fazla gama ışını ölçmeye çalışıyoruz. ve nükleosentez. “
On yıllar boyunca, bilim adamları daha gelişmiş germanyum dedektör dizileri geliştirdiler. 1990’larda Radford, temas alanını “ters koaksiyel” yaklaşım olarak adlandırdığı şey haline getirerek nokta temas tasarımını önemli ölçüde ilerleterek, çok daha büyük bir germanyum dedektörüne izin vererek, hedef fenomenleri görüntüleme fırsatlarını katlanarak artırdı.
Radford, “Nötrino sözde majorana parçacığı ise, kendi antineutrino.” Dedi. “Bu, antineutrino ve nötrino aslında aynı parçacık ve nötrinolez çift beta çürümesinin gerçekleşmesi gerektiği anlamına geliyor. Aradığımız şey bu.
“Eğer görürsek, Lepton sayısının (parçacıkları ve etkileşimleri sınıflandırmaya yardımcı olan lepton sayısı ile antilepton sayısı arasındaki fark) korunmadığını biliyoruz. Big Bang’in yarattığı dengesizlik, standart modeli önemli ölçüde değiştirecek ve belki de nasıl var olduğumuzu açıklayacaktır. “
Radford ve Allmond gibi önde gelen araştırmacılar, düşük enerjili nükleer yapısal bilim ve nötrinoless çift beta çürümesinde atılımların kovalaması, öngörülebilir gelecek için-ornl ve başka yerlerde Almanyum dedektörlerine güvenmeye devam etmeyi bekliyorlar.
Bu arada, neredeyse bir düzine uluslararası deney zor Majorana nötrino’yu takip ederken, diğer dedektör teknolojileri ortaya çıktı. Rakip yaklaşımlar ksenon, molibden ve tellür izotoplarını kullanır. Ancak Radford, Almanyumun efsane gibi büyük işbirlikleri için tercih edilen seçim olmaya devam ettiğini savunuyor. Radford’un gördüğü gibi, bu işbirlikçi, sürekli nötrinolez çifte beta çürümesinin – evrenin temel bilimsel bilgisini ilerletme çaba – varlığımızın temelini oluşturur. Bu bilginin arayışını, iyi bir sanatçı olan eşi Kathy’nin yarattığı resimlerle eşitler.
Radford, “Sanat kültürel bir faaliyettir; insanlığın sanata ihtiyacı var.” Dedi. “İnsanlık etrafımızdaki güzelliği görmeli, bize meydan okuyan ve bizi düşündüren ve merak eden şeyleri görmeli. Bence yaptığımız bilim aynı. Merak ediyoruz. Biz, insanlar olarak çevremizdeki dünyayı anlamak istiyoruz , burada nasıl çalışmamız gerektiğini anlamak için. “
