Met GRETA, de krachtigste ‘microscoop’ in de kernfysica, staan onderzoekers op het punt dieper dan ooit in de atoomkern te kijken.
GRETA, voluit Gamma-Ray Energy Tracking Array – staat op het punt de wereld van de kernfysica op zijn kop te zetten. Onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (VS) is de bouw van deze ultramoderne detector voltooid. Binnenkort verhuist het systeem naar de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) aan de Michigan State University voor installatie en eerste experimenten.
De verwachting: antwoorden vinden op enkele van de grootste vragen in de natuurkunde, zoals hoe zware elementen in sterren worden gevormd en waar de grenzen van atoomkernen liggen.
De krachtigste ‘microscoop’ voor de atoomkern
GRETA gebruikt 30 modules van ultrapuur germanium, elk gekoeld tot circa -184 °C, om gammastraling met extreme nauwkeurigheid te meten. Die straling ontstaat wanneer instabiele atoomkernen terugvallen naar hun grondtoestand.
“Met GRETA krijgen we een microscoop die 10 tot 100 keer gevoeliger is dan eerdere opstellingen,” zegt projectdirecteur Paul Fallon. “Zo kunnen we zwakkere structuren zien en meer leren over de fundamentele krachten in de natuur.”
De detector registreert niet alleen de energie van elk gammafoton, maar ook de volledige driedimensionale baan ervan. Dit levert een soort vingerafdruk van elke onderzochte isotoop op.
Geheimen blootleggen
Met GRETA willen wetenschappers enkele van de diepste mysteries van de kernfysica ontrafelen. Zo hopen ze beter te begrijpen hoe sterren in hun vurige binnenste zware elementen zoals goud en uranium produceren.
Ook kunnen ze met de nieuwe detector de grenzen van atoomkernen onderzoeken, de zogeheten nucleaire drip lines, waar protonen of neutronen niet langer gebonden kunnen blijven.
Daarnaast opent GRETA de deur naar het bestuderen van exotische vormen van atoomkernen, zoals ‘peervormige’ kernen. Deze bijzondere structuren zouden aanwijzingen kunnen bevatten voor fundamentele symmetrieschendingen in de natuur, wat uiteindelijk kan bijdragen aan het beantwoorden van een van de grootste vragen in de natuurkunde: waarom ons universum vooral uit materie bestaat, en niet in gelijke mate uit antimaterie.
Technologisch hoogstandje
De bouw van GRETA was een precisieoperatie. De aluminium draagconstructie is tot op een miljoenste inch uitgelijnd, zodat het systeem na onderhoud exact opnieuw gemonteerd kan worden.
Elke module bevat vier hexagonaal geslepen germaniumkristallen, die samen een volledige bol rond het doelgebied vormen – een grote stap vooruit ten opzichte van voorganger GRETINA, die slechts 12 modules telde.
Met geavanceerde elektronica kan GRETA tot 50.000 signalen per seconde per kristal verwerken. In tests bereikte het systeem zelfs 511.000 interacties per seconde, ruim boven de ontwerpdoelen.
Data-analyse in real-time
Een andere innovatie is de koppeling met DELERIA, een high-speed data streaming platform dat meetgegevens direct kan versturen naar supercomputers via DOE’s ESNet. Hierdoor kunnen onderzoekers experimenten vrijwel in real-time analyseren, wat kostbare straaltijd efficiënter maakt.
Nieuw tijdperk voor kernonderzoek
Zodra GRETA operationeel is bij FRIB, wordt het ingezet bij experimenten met zeldzame isotopen die daar in hoge intensiteit geproduceerd kunnen worden – tot wel 1.000 nieuwe soorten atoomkernen.
Daarna verhuist het systeem mogelijk tijdelijk naar Argonne National Laboratory voor aanvullende onderzoeken. De veelzijdigheid van het instrument maakt het tot een sleutelspeler voor de komende decennia in kernfysisch onderzoek.
