這是專為為原子核打造的最銳利“顯微鏡”。

研究人員已完成下一代核探測(cè)器“伽馬射線能量追蹤陣列”（GRETA）的主體建造工作。該設(shè)備旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)原子核迄今最精確的測(cè)量。GRETA由美國(guó)能源部下屬勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）牽頭開(kāi)發(fā)，不久將運(yùn)往密歇根州立大學(xué)（MSU）的稀有同位素束流裝置（FRIB）進(jìn)行安裝和調(diào)試。

該項(xiàng)目標(biāo)志著核物理研究的里程碑，GRETA將以前所未有的細(xì)節(jié)研究原子核的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。該探測(cè)器將使用多個(gè)高純度鍺晶體來(lái)追蹤核衰變發(fā)出的伽馬射線，以極高的分辨率捕捉其能量和三維路徑。這將使科學(xué)家能夠探索恒星如何鍛造重元素、測(cè)試核穩(wěn)定性的極限，并創(chuàng)造和探測(cè)數(shù)百種新的同位素。

“我們的目標(biāo)是打造我們能力范圍內(nèi)最好、最高分辨率、最高效率的伽馬射線探測(cè)器，以便解答關(guān)于物質(zhì)本質(zhì)和基本力的重大問(wèn)題，”GRETA項(xiàng)目主任保羅·法倫（Paul Fallon）表示。“隨著這項(xiàng)技術(shù)的每一次進(jìn)步，我們都能提高解析能力，觀測(cè)到更微弱的結(jié)構(gòu)。GRETA的靈敏度將比以往的核科學(xué)實(shí)驗(yàn)高10到100倍?！?/p>

推動(dòng)核研究發(fā)展

GRETA的建造包括組裝鍺探測(cè)器模塊、電子設(shè)備、機(jī)械支撐框架和計(jì)算系統(tǒng)。該設(shè)備在伯克利實(shí)驗(yàn)室建造，其核科學(xué)、工程和計(jì)算部門(mén)以及密歇根州立大學(xué)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家和工程師們共同參與了研制。

一旦在FRIB投入運(yùn)行，研究人員將引導(dǎo)粒子束轟擊放置在GRETA中心的靶材，產(chǎn)生高能且通常是稀有的原子。當(dāng)這些原子趨于穩(wěn)定時(shí)發(fā)出的伽馬射線將被GRETA的探測(cè)器測(cè)量，為每種同位素提供獨(dú)特的“指紋”。

據(jù)GRETA項(xiàng)目副主任希瑟·克勞福德（Heather Crawford）稱：“伽馬射線能譜學(xué)是我們了解原子核基本性質(zhì)最強(qiáng)大的工具之一。激發(fā)態(tài)和伽馬射線是每種同位素的指紋。GRETA是世界上研究這些指紋、解答關(guān)于原子核及其作用力問(wèn)題的最強(qiáng)大顯微鏡?！?/p>

該探測(cè)器將使得研究稀有同位素、核滴線（中子或質(zhì)子無(wú)法再保持束縛的極限狀態(tài)）以及梨形核成為可能。梨形核可能揭示自然界中的對(duì)稱性破缺，并有助于解釋為何宇宙中物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。FRIB能夠產(chǎn)生超過(guò)1000種新的同位素，這將極大地?cái)U(kuò)展此類實(shí)驗(yàn)的范圍。

完整的球面設(shè)計(jì)

GRETA是在早期的GRETINA項(xiàng)目基礎(chǔ)上發(fā)展的，后者使用了12個(gè)鍺探測(cè)器模塊。新系統(tǒng)將模塊數(shù)量增加到30個(gè)，在目標(biāo)靶周圍形成一個(gè)完整的球體，從而提高探測(cè)效率。每個(gè)模塊包含四塊超純鍺晶體，被加工成六邊形錐體，并冷卻至約零下184攝氏度（華氏零下300度）的低溫以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

容納模塊的鋁制框架經(jīng)過(guò)極高精度設(shè)計(jì)，對(duì)準(zhǔn)公差控制在百萬(wàn)分之一英寸以內(nèi)，以確保在打開(kāi)更換靶材時(shí)能完美重新組裝?？蚣艿膬砂刖尚D(zhuǎn)，便于在最終定位前安全安裝模塊。

該探測(cè)器的全新電子設(shè)備每秒可處理來(lái)自每個(gè)晶體的多達(dá)50,000個(gè)信號(hào)，而其專用計(jì)算集群每秒可實(shí)時(shí)處理高達(dá)480,000個(gè)伽馬射線相互作用事件。

在測(cè)試中，GRETA超出了這一目標(biāo)，達(dá)到了每秒511,000次相互作用。它也可能成為DELERIA的首個(gè)運(yùn)行平臺(tái)。DELERIA是一種高速數(shù)據(jù)流傳輸系統(tǒng)，能夠通過(guò)美國(guó)能源部的能源科學(xué)網(wǎng)（ESNet）將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳輸至超級(jí)計(jì)算設(shè)施進(jìn)行近乎即時(shí)的分析。

GRETA在FRIB安裝后，將在多個(gè)實(shí)驗(yàn)站投入使用，之后還將在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用。其靈活性和靈敏度有望突破核科學(xué)的邊界，為研究人員探索物質(zhì)基本構(gòu)成提供更快、更詳細(xì)的洞察。

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