Wzbudzone jądra atomowe emitują promieniowanie gamma niosące wiele informacji o ich strukturze. W celu dokładniejszej rejestracji tego promieniowania, w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego skonstruowano i uruchomiono spektrometr EAGLE, jedyny tego typu przyrząd w Europie Środkowo-Wschodniej i jeden z najnowszych i najbardziej zaawansowanych spektrometrów gamma na świecie.

1. W Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego uruchomiono najbardziej zaawansowany polski spektrometr promieniowania gamma. (Źródło: ŚLCJ UW)

Już wkrótce fizycy będą mogli lepiej poznać strukturę jąder atomowych - dzięki najnowszemu spektrometrowi promieniowania gamma o nazwie EAGLE (central European Array for Gamma Levels Evaluations). Urządzenie, skonstruowane i uruchomione w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego (ŚLCJ UW), jest najbardziej zaawansowanym w kraju układem detekcyjnym służącym do rejestrowania promieniowania gamma, emitowanego przez jądra atomowe wzbudzone za pomocą oddziaływań kulombowskich.

Dr Julian Srebrny, koordynator Konsorcjum EAGLE, tak wyjaśnia istotę badań: "Zderzamy ciężkie jony, zawierające przynajmniej kilkadziesiąt protonów i neutronów. Jeśli odpowiednio dobierzemy energię zderzeń, jądra połączą się ze sobą. Proces taki jest określany jako fuzja. Powstanie wtedy silnie wzbudzone i niezwykle szybko obracające się jądro, wykonujące średnio 100 eksaobrotów na sekundę. Aby zapisać tę liczbę, do jedynki należy dodać aż 20 zer! Energia wzbudzenia jest z czasem uwalniana przez jądra, zwykle poprzez emisję kwantów promieniowania gamma".

Badając promieniowanie gamma wyemitowane przez jądra atomowe, naukowcy zdobywają wiedzę o ich strukturze energetycznej i kształcie. Zgromadzone dane spektroskopowe są wykorzystywane do weryfikowania teorii opisujących jądra atomowe. Powstające przy tej okazji narzędzia opisu teoretycznego znajdują zastosowanie w innych obszarach fizyki i chemii, m.in. związanych z fulerenami, kropkami kwantowymi i klastrami molekularnymi. W przyszłości wyniki pomiarów realizowanych w ramach projektu EAGLE mogą pomóc w budowie lasera jądrowego. Szczególnie istotnym obszarem zastosowań jest także medycyna. W Centrum Radiofarmaceutyków, właśnie powstającym przy ŚLCJ UW, już niedługo będą produkowane radioizotopy, za pomocą których w warszawskich szpitalach będą przeprowadzane badania metodą tomografii pozytonowej (PET).

2. Detektory germanowe zainstalowane w EAGLE, spektrometrze promieniowania gamma uruchomionym w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. (Źródło: ŚLCJ UW)

Spektrometr EAGLE, zaprojektowany od podstaw w ŚLCJ UW, to układ pomiarowy przeznaczony do pracy z dużą liczbą wydajnych detektorów germanowych rejestrujących promieniowanie gamma. Konstrukcja mechaniczna przyrządu ma formę dwudziestościanu ściętego i umożliwia instalowanie do 30 detektorów promieniowania gamma różnych typów. Obecnie w skład układu wchodzi 20 detektorów germanowych chłodzonych ciekłym azotem. "Specyficzne cechy germanu powodują, że promieniowanie gamma generuje w nim szczególnie dużą liczbę nośników prądu, co ułatwia zliczanie kwantów gamma", wyjaśnia dr Srebrny.

Pojedynczy detektor germanowy to urządzenie wartości ok. 150 tys. dolarów. Konieczność zamontowania w spektrometrze EAGLE dużej liczby takich urządzeń podniosłaby znacząco koszty. "Na szczęście w Europie działa GAMMAPOOL, międzynarodowe konsorcjum zajmujące się efektywnym wykorzystaniem przyrządów do spektroskopii promieniowania gamma dostępnych na naszym kontynencie. Konsorcjum doceniło nasz program badawczy i przyznało aż 20 detektorów Phase-I HPGe z osłonami antykomptonowskimi. Mamy prawo korzystać z nich do połowy przyszłego roku", wyjaśnia dr Srebrny.

W skład aparatury EAGLE wchodzi także spektrometr konwersji wewnętrznej i komora rozproszeń dla eksperymentów z wykorzystaniem wzbudzeń kulombowskich.

3. Grupa warszawskich naukowców z projektu EAGLE między rozsuniętymi połówkami spektrometru. (Źródło: ŚLCJ UW)

"Urządzenia potrzebne do prowadzenia badań w zakresie fizyki jądrowej są drogie, dlatego też zwykle zgromadzone są w jednym, narodowym laboratorium, z którego korzystają naukowcy z kraju i zagranicy. Takim laboratorium jest w Polsce Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego", podkreśla prof. dr hab. Krzysztof Rusek, dyrektor ŚLCJ UW.

Pojedynczy eksperyment z użyciem spektrometru EAGLE będzie trwał około dwóch tygodni. W jego trakcie detektory zarejestrują nawet dziesiątki miliardów zderzeń, które następnie zostaną poddane szczegółowej analizie.

W okresie eksploatacji detektorów germanowych udostępnionych przez GAMMAPOOL, w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UW będzie przeprowadzonych przynajmniej kilkanaście eksperymentów z fizyki jądrowej. Pierwszy z nich wykonano już w połowie października ubiegłego roku. Jego celem było lepsze zrozumienie struktury poziomów energetycznych jądra wapnia 42Ca i wyjaśnienie wyników wcześniejszego doświadczenia z tymi jądrami, zrealizowanego we Włoszech z użyciem dopiero powstającego, europejskiego spektrometru AGATA. Zarejestrowano wtedy dwie nowe linie widmowe, którym powinny odpowiadać dotychczas nieznane przejścia między poziomami energetycznymi jądra 42Ca. Wstępne opracowania rezultatów eksperymentu z użyciem warszawskiego spektrometru EAGLE sugerują jednak, że zagadkowe linie zaobserwowane we Włoszech pochodzą od innego jądra atomowego.

W projekcie EAGLE uczestniczą przedstawiciele Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego, Wydziału Fizyki UW, Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie oraz Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Istotna część zespołu to fizycy spoza Polski, m.in. z Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers w Saclay we Francji, Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Lund w Szwecji, Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Sofii w Bułgarii, Uniwersytetu w Brighton w Wielkiej Brytanii oraz węgierskiego Instytutu Badań Jądrowych.

Projekt EAGLE, realizowany w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego, został sfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego (ŚLCJ UW) jest jedynym w Polsce ośrodkiem eksperymentalnej fizyki jądrowej dysponującym cyklotronem ciężkich jonów oraz nowoczesnymi spektrometrami umożliwiającymi prowadzenie prac badawczych z dziedziny struktury jądra atomowego i reakcji jądrowych. Laboratorium wytwarza wiązki pierwiastków gazowych i mających związki w postaci gazowej, od boru do argonu. Dysponuje wieloma układami pomiarowymi: SYRENA, IGISOL, CUDAC, JANOSIK, ICARE i najnowszym EAGLE - wielodetektorowym spektrometrem promieniowania gamma. Część czasu pracy akceleratora jest przydzielana na eksperymenty z dziedziny fizyki ciała stałego, biologii, a także na projekty aplikacyjne, m.in. dotyczące zastosowań medycznych fizyki jądrowej. Dostęp do wiązki z akceleratora jest przyznawany na podstawie rekomendacji międzynarodowego Komitetu Programowego; jedynymi kryteriami oceny projektów są wartość naukowa i techniczna wykonalność proponowanego eksperymentu. W budynku ŚLCJ UW powstaje ośrodek produkcji radiofarmaceutyków do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Od 2005 roku ŚLCJ UW organizuje coroczne Warsztaty Akceleracji i Zastosowań Ciężkich Jonów dla studentów z Polski i zagranicy.

Źródło: Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego