世界最强伽马射线探测器即将揭开核奥秘

抖音推荐 2025年08月12日 11:25 1 admin

这是专为为原子核打造的最锐利“显微镜”。

研究人员已完成下一代核探测器“伽马射线能量追踪阵列”（GRETA）的主体建造工作。该设备旨在实现对原子核迄今最精确的测量。GRETA由美国能源部下属劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）牵头开发，不久将运往密歇根州立大学（MSU）的稀有同位素束流装置（FRIB）进行安装和调试。

该项目标志着核物理研究的里程碑，GRETA将以前所未有的细节研究原子核的结构和性质。该探测器将使用多个高纯度锗晶体来追踪核衰变发出的伽马射线，以极高的分辨率捕捉其能量和三维路径。这将使科学家能够探索恒星如何锻造重元素、测试核稳定性的极限，并创造和探测数百种新的同位素。

“我们的目标是打造我们能力范围内最好、最高分辨率、最高效率的伽马射线探测器，以便解答关于物质本质和基本力的重大问题，”GRETA项目主任保罗·法伦（Paul Fallon）表示。“随着这项技术的每一次进步，我们都能提高解析能力，观测到更微弱的结构。GRETA的灵敏度将比以往的核科学实验高10到100倍。”

推动核研究发展

GRETA的建造包括组装锗探测器模块、电子设备、机械支撑框架和计算系统。该设备在伯克利实验室建造，其核科学、工程和计算部门以及密歇根州立大学、阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家和工程师们共同参与了研制。

一旦在FRIB投入运行，研究人员将引导粒子束轰击放置在GRETA中心的靶材，产生高能且通常是稀有的原子。当这些原子趋于稳定时发出的伽马射线将被GRETA的探测器测量，为每种同位素提供独特的“指纹”。

据GRETA项目副主任希瑟·克劳福德（Heather Crawford）称：“伽马射线能谱学是我们了解原子核基本性质最强大的工具之一。激发态和伽马射线是每种同位素的指纹。GRETA是世界上研究这些指纹、解答关于原子核及其作用力问题的最强大显微镜。”

该探测器将使得研究稀有同位素、核滴线（中子或质子无法再保持束缚的极限状态）以及梨形核成为可能。梨形核可能揭示自然界中的对称性破缺，并有助于解释为何宇宙中物质远多于反物质。FRIB能够产生超过1000种新的同位素，这将极大地扩展此类实验的范围。

完整的球面设计

GRETA是在早期的GRETINA项目基础上发展的，后者使用了12个锗探测器模块。新系统将模块数量增加到30个，在目标靶周围形成一个完整的球体，从而提高探测效率。每个模块包含四块超纯锗晶体，被加工成六边形锥体，并冷却至约零下184摄氏度（华氏零下300度）的低温以实现最佳性能。

容纳模块的铝制框架经过极高精度设计，对准公差控制在百万分之一英寸以内，以确保在打开更换靶材时能完美重新组装。框架的两半均可旋转，便于在最终定位前安全安装模块。

该探测器的全新电子设备每秒可处理来自每个晶体的多达50,000个信号，而其专用计算集群每秒可实时处理高达480,000个伽马射线相互作用事件。

在测试中，GRETA超出了这一目标，达到了每秒511,000次相互作用。它也可能成为DELERIA的首个运行平台。DELERIA是一种高速数据流传输系统，能够通过美国能源部的能源科学网（ESNet）将实验结果传输至超级计算设施进行近乎即时的分析。

GRETA在FRIB安装后，将在多个实验站投入使用，之后还将在阿贡国家实验室使用。其灵活性和灵敏度有望突破核科学的边界，为研究人员探索物质基本构成提供更快、更详细的洞察。

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