Як скромний нейтрон може допомогти розгадати таємниці Всесвіту

Вчені вивільняють силу нейтронів, щоб покращити розуміння повсякденних матеріалів і вирішити фундаментальні питання фізики. Крім спогадів, які викликав хітовий серіал Netflix «У всі тяжкі», більшість із нас, ймовірно, щасливо забули те, чого ми вивчали на уроках хімії в школі.

Отже, ось коротке оновлення: хімія розглядає будівельні блоки нашого фізичного світу, такі як атоми, і зміни, яких вони зазнають. Атом складається з ядра протонів і нейтронів, оточених хмарою електронів.

Звільніть нейтрони

А тепер щось, чого нас, можливо, не навчила хімія в старшій школі: скромний нейтрон, який міститься в ядрі кожного атома, окрім водню, може – якщо ним правильно керувати – пролити світло на все: від кліматичної кризи та енергетики до здоров’я та квантової енергії. обчислення.

Одним із таких способів є досить вражаючий процес, відомий як відкол, коли частинки високої енергії дестабілізують ядро ​​атома, що, у свою чергу, вивільняє частину нейтронів, які там знаходяться. Коли ці нещодавно звільнені нейтрони використані, вони можуть використовуватися як рентгенівські промені для картографування внутрішньої структури матеріалів.

Очікується, що European Spallation Source (ESS) , який зараз будується в Лунді, Швеція, запрацює в 2027 році. Після досягнення повних характеристик його безпрецедентний потік і спектральний діапазон зроблять його найпотужнішим і універсальним джерелом нейтронів для науки. в світі.

За словами Джиммі Біндерапа Андерсена, керівника відділу інновацій та промисловості в ESS, мета установки полягає в тому, щоб «створювати нейтрони, пучок нейтронів, який буде використовуватися в наукових цілях». Після того, як об’єкт буде запущено, вчені з усієї Європи та решти світу зможуть використовувати його 15 різних ліній променя для проведення фундаментальних досліджень.

Не рентген

За словами Андерсена, промінь нейтронів «не те саме, що рентгенівське випромінювання, але він є додатковим і використовує деякі з тих самих фізичних законів». Як і рентгенівські промені, нейтрони можна використовувати для дослідження матеріалів і біологічних систем. Але вони взаємодіють з матеріалами інакше, ніж фотони у високоенергетичних рентгенівських променях, і тому надають різні типи інформації про свої цілі.

Наприклад, пучки нейтронів можуть щось сказати про внутрішню динаміку літій-іонних батарей, виявити приховані деталі стародавніх артефактів або прояснити механізми стійкості бактерій до антибіотиків. Їх також можна використовувати для вивчення фундаментальної фізики. Це виглядає майже як випадок “чого вони не можуть?”

Нейтронні бомбардування

У рамках фінансованого ЄС проекту BrightnESS-2, частково координованого Андерсеном, технології, розроблені для ESS, були передані промисловості Європи на користь суспільства в цілому. Наприклад, деякі системи живлення, розроблені для ліній променів ESS, можуть бути корисними для технологій відновлюваної енергії, таких як вітряні турбіни.

Нещодавно з ESS зв’язався європейський виробник напівпровідників, зацікавлений у радіаційних полях, які може створювати джерело нейтронів. Світ, у якому ми живемо, постійно бомбардується нейтронами, які утворюються, коли частинки високої енергії з космосу, такі як космічні промені від Сонця, стикаються з атмосферою Землі. З часом цей вплив може пошкодити електричні компоненти.

ESS може імітувати це нейтронне бомбардування, але в набагато швидшому часовому масштабі, дозволяючи використовувати його для перевірки довговічності критичних електричних компонентів, таких як ті, що використовуються в літаках, вітрових турбінах і космічних кораблях.

Зараз ESS об’єднується з іншими дослідницькими інститутами та компаніями, щоб знайти можливе майбутнє використання такого об’єкта, як ESS, для задоволення таких специфічних галузевих потреб.

ESS 2.0

Хоча ESS ще будується, вчені вже працюють над модернізацією об’єкта. Коли ESS вперше відкриється, у нього буде один модератор, але проект HighNESS, що фінансується ЄС , розробляє другу систему модератора. Модератори сповільнюватимуть нейтрони, що утворюються під час процесу відколу, до рівня енергії, який можуть використовувати наукові прилади.

«Енергія нейтронів дійсно має значення на нейтронній установці, тому що залежно від енергії нейтронів можна виконувати різні види фізики», — сказала Валентина Санторо, координатор проекту HighNESS.

У той час як перший модератор забезпечуватиме високу яскравість, яка є дуже сфокусованим пучком нейтронів, джерело, що розробляється проектом HighNESS, забезпечуватиме високу інтенсивність. Іншими словами, велика кількість нейтронів. Два модератори дозволять вченим досліджувати різні аспекти динаміки та структури матеріалів, таких як полімери, біомолекули, рідкі метали та батареї.

Фундаментальна загадка

Другий модератор також дозволить досліджувати фундаментальну фізику, щоб спробувати вперше побачити, як нейтрон стає антинейтроном.

«Це дуже цікаво, тому що ви спостерігаєте явище, коли матерія стає антиматерією», — сказав Санторо, який є фізиком елементарних частинок у ESS. «Якщо ви спостерігаєте щось подібне, ви можете зрозуміти одну з найбільших нерозгаданих таємниць — чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії».

Санторо сказав, що цей експеримент можна провести лише на ESS, оскільки для цього потрібна величезна кількість нейтронів, а ESS матиме найбільшу кількість у світі.

«Вам просто потрібен один нейтрон, який стане антинейтроном, і все, ви знайшли цей процес, коли матерія стає антиматерією», — сказав Санторо.