Создан самый чувствительный ядерный детектор в истории науки
Ученые завершили создание Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) — самого мощного в мире гамма-детектора, который обещает перевернуть ядерную физику. Разработанный в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (США), GRETA скоро отправится в Центр редких изотопных пучков (FRIB) при Мичиганском государственном университете для установки и первых экспериментов.
Что это за устройство и почему оно важно?
GRETA — это «микроскоп» для атомных ядер, позволяющий заглянуть в их структуру с беспрецедентной точностью.
Он поможет ответить на фундаментальные вопросы: как звезды создают тяжелые элементы, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, и каковы пределы стабильности атомов. Это открытие расширяет знания о природе и может улучшить технологии, такие как ядерная медицина (например, ПЭТ-сканирование) и термоядерная энергия. GRETA в 10–100 раз чувствительнее прежних детекторов, что делает ее настоящим прорывом.
«Наша цель состояла в том, чтобы создать лучший высокоэффективный гамма-детектор с высоким разрешением, чтобы ответить на главные вопросы о природе материи и фундаментальных силах», — говорит Пол Фаллон, директор проекта GRETA.
«Гамма-спектроскопия — один из самых мощных инструментов для изучения природы атомного ядра. Возбужденные состояния и гамма-лучи — отпечатки пальцев каждого изотопа. GRETA — самый мощный микроскоп в мире для исследования этих отпечатков и изучения сил, управляющих ядром», — отмечает Хизер Кроуфорд, замдиректора проекта.
Представьте GRETA как камеру, которая «фотографирует» гамма-лучи, определяя их энергию и трехмерный путь с точностью до миллиметра. Это позволяет изучать редкие атомы, существующие доли секунды.
GRETA состоит из:
30 модулей с кристаллами германия, каждый содержит четыре сверхчистых кристалла, охлажденных до –184 °C для точного улавливания гамма-лучей;
алюминиевой сферы с точностью до миллионной доли дюйма, разделяющейся на две половины для установки мишеней;
электроники, обрабатывающей до 511 000 гамма-взаимодействий в секунду;
вычислительного кластера, анализирующего данные в реальном времени и передающего их через сеть ESNet.
Как это работает на практике?
В FRIB пучки частиц ударяют по мишеням в центре GRETA, создавая редкие изотопы — атомы с необычным числом нейтронов. GRETA улавливает гамма-лучи от этих атомов и создает их «портрет». Это помогает изучить:
редкие изотопы (FRIB создаст более 1000 новых изотопов, отсутствующих в природе);
капельные линии — пределы, при которых ядро не удерживает больше нейтронов или протонов;
грушевидные ядра — необычные формы, объясняющие избыток материи во Вселенной;
создание элементов — процесс производства звездами тяжёлых элементов, например золота или урана.
«Если ядро — книга, GRETA читает ее страницы, раскрывая устройство атомов и их звездное происхождение», — объясняют авторы исследоваия
Новая система DELERIA позволяет мгновенно анализировать данные на суперкомпьютерах, ускоряя эксперименты. GRETA установят в FRIB осенью 2025 года, а первые эксперименты начнутся в 2026-м. Позже ее переместят в Аргоннскую национальную лабораторию. Гибкость GRETA позволит проводить разнообразные исследования — от изучения звезд до проверки фундаментальных законов природы.