Bijkomende informatie over de publicaties in Nature en Nature Communications
Achtergrond Kernfysici bestuderen allerlei eigenschappen van atoomkernen. Voor de onderzoeksgroep van Mark Huyse en Piet Van Duppen (Instituut voor Kern- en Stralingsfysica, Departement Natuurkunde en Sterrenkunde, KU Leuven) betekent dit onder andere dat zij de vorm van bepaalde exotische kernen in kaart brengen. Dit is van belang om hiermee de oorsprong van collectiviteit in atoomkernen (vervormingen, rotaties, vibraties) te linken aan het gedrag van een beperkt aantal kerndeeltjes. Een studie hierrond werd reeds in 2000 door de Leuvense onderzoeksgroep in Nature gepubliceerd (NATURE, VOL 405, 430 (2000)). De Leuvense kernfysici hebben recent samen met een internationaal team van wetenschappers twee opmerkelijke experimenten uitgevoerd op CERN, ISOLDE. Hiermee hebben zij een belangrijke stap gezet in hun zoektocht waarop zware atomen en hun kernen opgebouwd zijn. Er worden twee verschillende technieken gebruikt, in beide gevallen met behulp van elektromagnetische straling. In het eerste experiment worden virtuele fotonen gebruikt die opgewekt worden in de botsingen van de versnelde radioactieve ionen met een trefschijf. De mate waarop deze virtuele fotonen uitgewisseld worden is een maat voor de collectiviteit van de atoomkern in kwestie. In het tweede experiment wordt laserlicht gebruikt om de atomaire overgangen van de elektronen rond de atoomkern nauwkeurig op te meten. De elektronbanen worden namelijk lichtjes maar meetbaar beïnvloed door de vorm van de atoomkern. Het eerste experiment gebeurde door kernreacties te bestuderen van radioactieve radon en radium kernen versneld tot op 8% van de lichtsnelheid met de REX-ISOLDE naversneller in CERN. De elektromagnetische stralen die uitgezonden worden bij zulke reacties werden opgemeten met een krachtige gamma detector. Zowel in de constructie van de naversneller als in de bouw van de gamma detector hebben de onderzoekers van de KU Leuven een cruciale rol gespeeld. De analyse van de metingen, uitgevoerd door Liam Gaffney in het kader van zijn doctoraatsthesis (University of Liverpool), toont aan dat 224Ra peervormig is, terwijl 220Rn geen vaste peervorm aanneemt, maar eerder vibreert rond deze vorm. Liam Gaffney is nu post doc aan de KU Leuven. Deze resultaten worden op 7 mei in het vaktijdschrift "Nature" gepubliceerd. In de tweede reeks experimenten werd voor het eerst de ionisatiepotentiaal van astaat, het meest zeldzaam element natuurlijk voorkomend op aarde, gemeten en dit met behulp van laser ionisatie. Het voorbereidend experiment werd geanalyseerd door Lars Ghys in het kader van zijn masterthesis (KU Leuven). Lars Ghys is nu doctoraatsstudent. Daarna werden er verdere experimenten uitgevoerd in TRIUMF, Canada om uiteindelijk zeer precieze metingen te verrichten op CERN, ISOLDE. De resultaten van deze verschillende studies zullen op 13 mei gepubliceerd worden in het vaktijdschrift "Nature Communications". De leidende positie die de Leuvense onderzoekers in het ISOLDE programma op CERN innemen is mede mogelijk gemaakt door financiering via het FWO (Het "Big Science" project HIE ISOLDE), BELSPO (Het
"IUAP" project BRIX, Belgian Research Initiative on eXotic nuclei) en de KU Leuven (het "GOA" project, Kernen onder extreme omstandigheden).
Zijn sommige atomaire kernen peervormig? Een internationaal team van wetenschappers heeft in CERN aangetoond dat sommige atomaire kernen in vreemde vormen voorkomen. De meeste natuurlijk voorkomende kernen zijn niet rond maar hebben de vorm van een rugbybal. Dit gedrag kan voorspeld worden door moderne theorieën. Voor bepaalde speciale combinaties van protonen en neutronen voorspellen deze theorieën echter dat kernen in zeer asymmetrische vormen, zoals bijvoorbeeld een peervorm, kunnen voorkomen. In dit geval zit er meer massa aan één kant van de kern dan aan de andere kant (zie figuur). De experimentele waarneming van de peervormige kernen is belangrijk voor een beter begrip van de theorie die de structuur van kernen beschrijft. Maar daarnaast kan het ook helpen bij de experimentele zoektocht naar elektrische dipoolmomenten in atomen (EDM). Het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt dat de waarde van het EDM zo klein is dat het zich ver onder de huidige detectielimiet bevindt. Toch zijn er ook veel theorieën die dit model proberen te verbeteren en die meetbare waarden voor het EDM voorspellen. Om deze theorieën te kunnen testen moet de meetmethode verbeterd worden. Peervormige kernen zijn nu juist de kernen die de meest gevoelige methode bieden. Door de peervorm van kernen nauwkeurig in kaart te brengen kan de haalbaarheid van de experimentele zoektocht naar het EDM in atomen beter ingeschat worden. De meeste isotopen waarvoor een peervorm werd voorspeld konden lange tijd niet bestudeerd worden met de bestaande experimentele technieken. In de laatste jaren echter toonde de ISOLDE faciliteit in CERN dat het mogelijk is om zeer zuivere bundels van zware radioactieve kernen te produceren. Na botsingen van hoog-energetische protonen met een uraniumcarbide trefschijf worden de gewenste isotopen selectief geëxtraheerd op basis van hun chemische eigenschappen, alvorens te worden versneld tot een snelheid van 8% van de lichtsnelheid. Ze vallen vervolgens in op een trefschijffolie van isotopisch puur nikkel, cadmium of tin. Hier veroorzaakt de relatieve beweging van de zware, versnelde kern en de trefschijfkern virtuele fotonen die de kern in een hoger aangeslagen toestand brengt. Gedetailleerd onderzoek van dit excitatieproces laat toe de vorm van de kern te bepalen. Deze methode werd succesvol toegepast om de vorm van de kortlevende isotopen 220Rn en 224Ra te bestuderen. De data tonen aan dat 224Ra peervormig is, terwijl 220Rn geen vaste peervorm aanneemt, maar eerder vibreert rond deze vorm. Peter Butler, fysicus aan de universiteit van Liverpool, zegt: "Onze bevindingen zijn in contradictie met enkele kernmodellen en zullen helpen om andere modellen te verfijnen. De metingen zullen ook mee de zoektocht naar elektrische dipoolmomenten sturen. Momenteel worden in Noord-Amerika en Europa nieuwe technieken ontwikkeld om de bijzondere eigenschappen van radon- en radiumisotopen uit te buiten. We verwachten dat de data van onze kernfysische experimenten gecombineerd kunnen worden met de resultaten van atomaire trappingexperimenten voor EDM’s om het Standaard model – het beste model dat we hebben om het universum te begrijpen – aan de zwaarste testen te onderwerpen."
Deze bevindingen werden op 7 mei 2013 gepubliceerd in Nature. De vorm van 224Ra opgemeten in de CERN metingen. De afmetingen van deze kernen liggen in de buurt van 10-12 cm Deze tekening komt ook op de cover van Nature
De Miniball gamma detector
De REX ISOLDE naversneller
CERN wetenschappers ontsluieren fundamentele eigenschappen van astaat, het meest zeldzame element op onze planeet. Een internationaal team van wetenschappers heeft experimenten uitgevoerd op ISOLDE, de faciliteit voor radioactieve isotopen in CERN, om de atomaire structuur van astaat te onderzoeken. De ionisatiepotentiaal van astaat, een fundamentele eigenschap die de chemische en fysische eigenschappen bepaalt van dit uitsluitend radioactieve element, is voor het eerst gemeten. Omdat astaat het enige in de natuur voorkomende element is waarvoor deze eigenschap nog steeds onbekend was, is met deze meting een langdurende leemte gevuld in Mendeljev’s periodieke tabel der elementen. De science fiction schrijver maar ook chemicus Isaac Asimov berekende dat er slechts ongeveer 0.07 g astaat zit in de eerste 1.6 km van de aardkorst! De ionisatiepotentiaal is de bindingsenergie van het buitenste valentie-elektron, daarom is deze waarde zeer relevant voor de chemische reactiviteit van een element en bepaalt het dus indirect ook zijn stabiliteit in chemische verbindingen. De experimentele waarde voor astaat zal bijdragen om theorieën, die de atomaire en chemische eigenschappen van de superzware elementen voorspellen, verder te ontwikkelen. In het bijzonder kan men hierbij denken aan het recent ontdekte element 117 (voorlopig nog niet met een naam gedoopt), dat een chemisch homoloog is van astaat. Verder is het nu mogelijk om zeer zuivere bundels van astaatkernen aan te maken door de geproduceerde astaat kernen te ioniseren met laserlicht en daarenboven de vorm van deze kernen te meten door de frequentie van het laserlicht te veranderen. De productie van zuivere astaatbronnen is daarnaast ook op lange termijn van bijzonder belang omdat sommige van de astaat isotopen interessante kandidaten zijn om te gebruiken in radiofarmaceutische producten voor de bestrijding van kanker met behulp van doelgerichte alfa straling. Astaat werd in 1940 ontdekt door Corson en zijn collega’s door het bombarderen van een bismut – trefschijf met alfa deeltjes. Het meest stabiele isotoop van dit element heeft een halfwaardetijd van slechts 8,1 uur. In 1964 bestudeerde McLaughlin een 70 ng wegend monster van artificieel geproduceerd astaat en slaagde erin om twee spectraallijnen te observeren in het UV- gebied. Bij de aanvang van de studie in CERN’s ISOLDE waren er geen verdere gegevens beschikbaar over het atomaire spectrum. In ISOLDE worden kortlevende isotopen gecreëerd in kernreacties van hoog energetische protonen met een uraniumcarbide trefschijf, waaruit ze vervolgens ontsnappen en onmiddellijk interageren met precies afgestelde laserstralen in de hete ruimte van de laser- ionen bron. Wanneer de golflengte van de lasers overeenkomt met bepaalde atomaire transities worden de atomen stapsgewijs geëxciteerd en tenslotte geïoniseerd door de absorptie van specifieke fotonen. Deze methode levert, in combinatie met elektromagnetische separatie, zuivere isotopische bundels voor verdere studie. Met behulp van een zeer gevoelige detectieopstelling kunnen er metingen gebeuren op radioactieve kernen die aan minder dan 1 isotoop per seconde geproduceerd worden. De experimentele opstelling voor deze studie is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Mark Huyse en Piet Van Duppen. De eerste laser geïoniseerde ionen van astaat zijn zo geïdentificeerd en tevens werd de drempelwaarde voor de ionisatie van astaat
bepaald door de golflengte van de ioniserende UV- laser te scannen. Lars Ghys, nu doctoraatsstudent aan de KU Leuven, heeft deze resultaten beschreven in zijn masterthesis. Een tweede fase in het onderzoek naar het atomaire spectrum van astaat vond plaats in de ISAC faciliteit voor radioactieve isotopen van TRIUMF, het Canadese laboratorium voor kern- en deeltjesfysica in Vancouver. Hier werden nieuwe optische transities gevonden in het infrarode deel van het spectrum. Met behulp van deze transities werd een zeer efficiënt drie staps ionisatieschema ontwikkeld en verder gebruikt in ISOLDE De wetenschappers onderzochten de interessante regio rond de ionisatiedrempel en vonden een reeks van hooggelegen resonanties, zogenaamde Rydberg toestanden. Dit spectrum liet toe om de eerste ionisatiepotentiaal van astaat met hoge precisie te bepalen. De resultaten van dit onderzoek worden nu gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift ‘Nature Communications’. Valentin Fedosseev, de leider van het laser team in CERN zegt: “de in-bron laserspectroscopie is vandaag de meest gevoelige methode om atomaire eigenschappen van exotische kortlevende kernen te bestuderen. Voor artificieel geproduceerde elementen, zoals de superzware, kan dit een techniek zijn om hun eigenschappen te onderzoeken. Het succes in de studie van het astaat spectrum geeft vertrouwen in zulke projecten die recent gestart zijn in GANIL, Frankrijk en JINR, Rusland”. De onderzoeksgroep van Piet Van Duppen en Mark Huyse is de drijvende kracht achter het zogenaamde HELIOS project opgestart in GANIL, Frankrijk en gefinancierd via de EU (ERC Advanced Grant), het FWO (Het "Big Science" project SPIRAL2) en het HERCULES fonds.
De verschillende lasers voor de ionisatie van astaat
Panoramazicht op de lasers.
